unity shader详解
在日常开发中，我们可能会熟练地使用 Shader，但对其原理和细节却缺乏深入了解。本文将详细介绍 Unity Shader 的相关知识，包括基本概念、光照模型、内置 Shader 以及实战示例。
Shading 概念
在素描中，Shading 指的是给物体绘制明暗调子。在图形学里，Shading 则是为 Mesh 上色的过程。Mesh 是由一堆三角面片组成的，包含顶点坐标、法线坐标、UV 坐标等信息。根据维基百科的定义，Shading 是根据物体相对于光线的角度及其与光源的距离，改变物体颜色以生成逼真效果的过程。我们编写的处理 Shading 的程序被称为 Shader，中文叫做着色器。该程序的输入包括颜色、纹理、坐标等，输出则是 Mesh 网格的最终颜色。
光照模型
光照模型主要包含两个部分：光源的定义和 Mesh 表面的光照计算。
光源类型
根据现实中的光源，可将其抽象为点光源、方向光源和聚光灯。
Mesh 表面光照计算
主要计算三个部分：环境光（Ambient light）、漫反射光（Diffuse light）和全反射光（Specular light）。下面详细介绍 Lambert 光照模型。
Lambert 光照模型
Lambert 光照模型属于经验模型，主要用于简单模拟粗糙物体表面的光照现象。该模型假设物体表面为理想漫反射体（即只产生漫反射现象，也称为 Lambert 反射体），并且场景中存在两种光：环境光和方向光。我们分别计算这两种光照射到粗糙物体表面所产生的光照现象，最后将两个结果相加，得出反射后的光强值。
环境光计算
环境光的计算公式为： [I_{ambdiff} = K_d \times I_a] 其中，(K_d) 为粗糙物体表面材质对光的反射系数，由程序编写者在宿主程序中给出；(I_a) 为环境光的光强，通常是一个 float3 型的变量，表示环境光的颜色数值。
方向光计算
方向光的计算公式为： [I_{ldiff} = K_d \times Il \times \cos\alpha] 根据向量的点积公式 (\cos\alpha = \mathbf{N} \cdot \mathbf{L})，方向光的计算公式可变为： [I{ldiff} = K_d \times I_l \times (\mathbf{N} \cdot \mathbf{L})] 其中，(\mathbf{N}) 是物体表面的法线向量，(\mathbf{L}) 是光线的方向向量。
漫反射光强
综上，漫反射后的光强为： [I_{diff} = K_d \times I_a + K_d \times I_l \times (\mathbf{N} \cdot \mathbf{L})]
Build-in Shader
Build-in Shader 是 Unity3D 自带的 Shader。
MeshFilter、MeshRenderer 和 Skinned Mesh Renderer
当将一个静态的 Mesh 网格添加到场景中时，Unity 会自动为该 GameObject 添加 MeshFilter 和 MeshRenderer 组件。
- MeshFilter：用于保存网格过滤器，从资源中获取网格信息（Mesh），并将其传递给 MeshRenderer。
- MeshRenderer：从 MeshFilter 获得几何形状，并根据物体的 Transform 组件的定义位置进行渲染。
- Skinned Mesh Renderer：当导入有蒙皮的网格时，该组件会自动添加到导入的网格。
材质和 Shader 的关系
在 3ds Max 中，给模型添加贴图需要新建一个材质球。Shader 实际上是一小段程序，它负责将输入的 Mesh 以指定的方式与输入的贴图或颜色等组合作用，然后输出结果。绘图单元依据这个输出来将图像绘制到屏幕上。输入的贴图或颜色等，加上对应的 Shader，以及对 Shader 的特定参数设置，将这些内容（Shader 及输入参数）打包存储在一起，就得到了一个 Material（材质）。之后，我们可以将材质赋予合适的 Renderer（渲染器）来进行渲染。
实战示例
步骤 1：准备工作
打开 Unity3D（U3D），将准备好的模型拖到场景中。拖进来的模型会自带一个 Skinned Mesh Renderer，用于显示带动画的模型，并且 Unity 会自动创建一个材质 material_0，使用自带的 Diffuse Shader 进行渲染，并将其赋给该 Renderer。
步骤 2：创建 Shader 和 Material
点击 Project 面板的 Create，创建一个 Shader 和 Material，名字都叫 Test0。
步骤 3：分析 Test0.shader
以下是 Test0.shader 的代码：
Shader "Custom/Test0" {
Properties {
_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
}
SubShader {
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 200
CGPROGRAM
#pragma surface surf Lambert
sampler2D _MainTex;
struct Input {
float2 uv_MainTex;
};
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
o.Albedo = c.rgb;
o.Alpha = c.a;
}
ENDCG
}
FallBack "Diffuse"
}
代码解释
- 第一行：定义 Shader 的名字为 Custom/Test0。如果 Shader 成功编译，就可以在 Unity 的 Shader 中找到它。
- 2 - 4 行：定义属性。这里定义了一个 2D 的纹理 _MainTex。属性定义的语法为：
_Name("Display Name", type) = defaultValue[{options}]。 - 第 6 行：标签。
"RenderType" = "Opaque"告诉系统应该在渲染非透明物体时调用该 Shader。与之相对的是"RenderType" = "Transparent"，表示在渲染含有透明效果的物体时调用。 - 第 7 行：LOD（Level of Detail）。这里指定为 200，这是 Unity 的内建 Diffuse 着色器的设定值。这个数值决定了我们能用什么样的 Shader。在 Unity 的 Quality Settings 中可以设定允许的最大 LOD，当设定的 LOD 小于 SubShader 所指定的 LOD 时，这个 SubShader 将不可用。我们在实现自己的 Shader 时，可以参考 Unity 内建 Shader 定义的一组 LOD 数值来设定自己的 LOD，以便在调整画质时进行精确控制。
- 9 - 23 行：一段 CG 的代码。
- 第 10 行：声明要写一个表面 Shader，并指定了光照模型。其写法为
#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]。在我们的代码中，声明了一个表面着色器，实际的代码在surf函数中，使用 Lambert（普通的 Diffuse）作为光照模型。 - 第 12 行：声明 2D 纹理 _MainTex。在 CG 程序中，要访问在 Properties 中定义的变量，必须使用相同的名字进行声明。
sampler2D _MainTex;再次声明并链接了 _MainTex，使得后续的 CG 程序能够使用这个变量。 - 14 - 16 行：定义一个结构体
Input，可以将参与计算的数据放入该结构体中，传入surf函数使用。这里只放了 UV 坐标。在 CG 程序中，在贴图变量前加上uv两个字母，表示提取它的 UV 值。 - 18 - 22 行：表面着色器的着色函数
surf。CG 规定了表面着色器方法的参数类型和名字，第一个参数是Input结构，第二个参数是inout的SurfaceOutput结构。这里使用了tex2d函数在贴图上进行采样，将采样结果的 RGB 值赋予输出的像素颜色，将 A 值赋予透明度。
- 第 10 行：声明要写一个表面 Shader，并指定了光照模型。其写法为
- 第 25 行：在所有 Subshaders 之后定义了一个 FallBack。如果没有一个 Subshaders 可以在当前硬件上运行，那么就尝试使用 Fallback 后面的 Shader。
步骤 4：应用材质
将创建的材质 Test0 拖到模型的 Skinned Mesh Renderer 的 Material 上。由于初始时没有贴图，模型会显示为灰色。将贴图拖到 Shader 上，此时 Mesh 上最终的颜色是 Lambert 光照模型计算出来的颜色。
通过以上步骤，我们完成了一个简单的 Shader 入门示例。希望本文能帮助你更好地理解 Unity Shader 的基本原理和使用方法。