Shader 知识点 第二篇 3种着色器

着色器类型

固定管线着色器（已经淘汰）
顶点片段着色器
表面着色器（最终编译为顶点片段着色器，可以理解为unity封装过的顶点片段着色器）

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顶点片段着色器

顶点片段着色器 ——
（1）缺点是不能直接和光照交互
（2）用 CG或HLSL编写，嵌入在 Pass 块中
（3）CG代码必须编写在 CGPROGRAM 和 ENDCG 之间

编译指令

编译指令	说明
pragma vertex name	将名称为name的函数编译为顶点着色器（通常命名 vert）
pragma fragment name	将名称为name的函数编译为片段着色器（通常命名 frag）
pragma fragmentoption optime	添加“optime”到已经编译的opengl片元程序
pragma target name	指定着色器目标（常见值 3.0）

顶点数据结构体

CPU 阶段 ————> GPU阶段，顶点数据必须以一个结构体的形式提交给CG/HLSL顶点程序。

常用的顶点结构定义在 UnityCG.cginc 文件中，通常够用了，也可以自定义结构体。

常用顶点结构体	说明（这个是CPU阶段传过来的顶点数据，作为顶点着色器的输入）
appdata_base	顶点位置、法线、一个纹理坐标 （vertex、normal、texcoord）
appdata_tan	顶点位置、切线、法线、一个纹理坐标 （vertex、tangent、normal、texcoord）
appdata_full	顶点位置、切线、法线、两个纹理坐标、颜色 （vertex、tangent、normal、texcoord、texcoord1、color）

常见变换矩阵 UNITY_MATRIX_MVP

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表面着色器

优点是可以处理光照，最终编译为顶点片段着色器，由unity处理光照、阴影、不同的渲染路径

CGPROGRAM—ENDCG 代码放在 SubShader 中，而不是 Pass 块中。将会被编译为多个 Pass

需要懂的 ——
（1）表面着色器编译指令、可选参数
（2）表面函数的输入输出结构体
（3）自定义光照模型
（4）顶点变换函数
（5）最终颜色修改函数

SubShader
{
    Tags{"RenderType"="Opaque"}   //标签
    LOD 200                       //渲染设置（这里没有Pass，直接写在外边）

    CGPROGRAM                    //注意这里的包含的东西从哪里开始
    #pragma surface surf Standard fullforwardshadows
    #pragma target 3.0

    sampler2D _MainTex;
    half _Glossiness;
    half _Metallic;
    fixed4 _Color;

    struct Input{ float2 uv_MainTex; };   //输入结构体一般要自己定义，必须命名 Input，
                                          //另外不需要指定语义它就能直接被解析，也是挺神奇的
                                          //见过的一般是用上贴图变量名，前面加 uv

    void surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
    {
        fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
        o.Albedo =  c.rgb;
        o.Alpha = c.a;
        o.Metallic = _Metallic;
        o.Smoothness = _Glossiness;
    }
    ENDCG

}

（1）表面着色器编译指令、可选参数

#pragma surface   [optionalparams]

//表面函数通常为 void Surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandard o){}

//内置光照模型 Lambert、BlinnPhong （自定义光照模型在下边第3点）

//可选参数，很多，详细看吴亚峰296页

部分可选参数	说明
alpha	Alpha混合模式，用于半透明材质
alphatest : VariableName	Alpha测试模式，用于透明镂空着色器，镂空值为浮点型变量
vertex : VertexFunction	自定义名为 VertexFunction 的顶点函数
finalColor : ColorFunction	自定义名为 ColorFunction 的最终颜色修改函数
decal : add	附加印花着色器
decal : blend	附加半透明印花着色器

（2）表面函数的输入输出结构体 （Input 、SurfaceOutput）

Input —— 用于为表面着色器函数输入所需的纹理坐标和其他数据
SurfaceOutput —— 在表面着色器中写入相应的值，用于输出数据

Input 一般是自定义的，并且必须命名为 Input ，貌似没有内置的 Input 结构体
SurfaceOutput 一般是使用内置的，如果自定义，那么必须包含内置的那些参数

与顶点片段着色器中定义结构体不同，表面着色器定义结构体不需要指定语义。。。。

Input结构体	说明
float2 uv_纹理名称	第一个纹理坐标
float2 uv2_纹理名称	第二个纹理坐标
float3 viewDir	视线方向（）
float4 color	每个顶点颜色的插值
float4 screenPos	屏幕空间的位置。为了获取反射效果，需要包含屏幕坐标
float3 worldPos	世界坐标空间位置
float3 worldRefl	世界空间中的反射向量，但必须表面着色器不写入 o.Normal 参数
float3 worldNormal	世界空间中的法线向量，但必须表面着色器不写入 o.Normal 参数
float3 worldRefl; INTERNAL_DATA	世界坐标反射向量，但必须表面着色器 写入 o.Normal (要基于逐像素法线贴图获取反射向量，请使用 WorldReflectionVector( IN , o.Normal))
float3 worldNormal; INTERNAL_DATA	世界坐标法线向量，但必须表面着色器 写入 o.Normal (要基于逐像素法线贴图获取法线向量，请使用 WorldNormalVector( IN , o.Normal ))

表面着色器的输出结构体是内置定义好的，用户只需要在表面函数中，为需要的变量赋值就可以了。

struct SurfaceOutput
{
    half3 Albedo;     //漫反射颜色值  r g b
    half3 Normal;     //法线坐标
    half3 Emission;   //自发光颜色
    half Specular;    //镜面反射系数
    half Gloss;       //光泽系数
    half Alpha;       //透明度
};

（3）自定义光照模型

编写表面着色器的过程， 就是描述一个表面的属性（颜色、法线、反射系数、光泽度、透明度等），然后由光照模型完成光照交互的计算。

系统内置 Lambert、BlinnPhong 光照模型。

自定义光照模型，以 Lighting 开头的函数实现

//正向渲染路径、非视线方向相关
half4 Lighting(SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten){ }

//正向渲染路径、视线方向相关
half4 Lighting(SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, hlaf atten){ }

//延迟光照路径
half4 Lighting_PrePass(SurfaceOutput s, half4 light){ }

//例如

float4 LightingPhong(SurfaceOutput s, float3 lightDir, half3 viewDir, half atten)
{
    float4 c;
    //一系列计算
    c.rgb = s.Albedo *...;   //用到表面属性（先执行了表面函数，再将表面属性传入光照模型函数）
    c.a = s.Alpha;
    return c;       //返回最终光照颜色
}

（4）顶点变换函数

顶点变换函数：修改顶点着色器中的输入顶点数据、为表面着色器函数传递顶点数据。

可用于程序性动画、沿法线挤压等

在表面着色器的编译指令中 指定 vertex : Name

#pragma surface surf Lambert vertex:vert

顶点函数可以有多种形式

void Name(inout appdata_full v){}  //用于只修改顶点着色器中的输入顶点数据

half4 Name(inout appdata_full v , out Input o){}  //用于修改顶点着色器中的输入数据，
                                                  //并且为表面着色器函数传递数据

// appdata_full 是顶点着色器的输入结构体
// Input 是表面着色器的输入结构体

例如

void vert(inout appdata_full v)
{
    v.vertex.xyz += v.normal * _Amount;  //通过法线挤压实现充气效果
}

（5）最终颜色修改函数

最终颜色修改函数，用于修改表面着色器的最终颜色。可用于绘制物体表面的最终颜色。

（应该是先执行了表面函数，然后才执行最终颜色修改函数，至于光照模型函数的顺序，则不清楚。。。）

表面着色器的编译指令

#pragma surface surf Lambert finalcolor:myColorFunction

最终颜色修改函数的声明如下

void Name(Input IN, SurfaceOutput o, inout fixed4 color){}

// Input结构体，用于顶点变换函数为最终颜色修改函数传递数据（涉及顶点变换函数。。。）
// SurfaceOutput，用于为最终颜色修改函数传递数据（传递物体表面的参数数据）
// inout 类型的 color ，为最终颜色修改函数输出最终颜色

例如

fixe4 _ColorTint;

void myFinalColor(Input IN,SurfaceOutput o,inout fixed4 color)
{
    color *= _ColorTint;  //通过调色数值修改最终颜色
}