Shader Forge

一、前言

ShaderForge

ShaderForge是一款为Unity所用的、基于节点操作的Shader插件。笔者一直想写一篇关于ShaderForge的教程，希望可以分享给想学习Shader的美术。通过该插件，美术不需要编写代码就可以制作Shader。同时笔者也希望Shader程序员能客观看待这款插件，美术效果和代码优化需要美术和程序的共同配合来完成。

本文主要从插件使用和代码优化两个方面来介绍ShaderForge在手机游戏上的应用。

二、ShaderForge插件使用

官方主页：http://www.acegikmo.com/shaderforge/
通过ShaderForge新建Shader后，会提供一些Shader模板，创建对应于不同光照模型的Shader。

New Shader

ShaderForge的默认用户界面分为预览、Shader设置（名称、属性、光照模型、几何绘制、混合模式）、节点连线编辑面板、节点列表。

Unlit：无光照的Shader模板，选择此模板，使用该Shader的材质将不受光照影响。
Lit(PBR)：符合Unity PBR的Shader模板，采用基于物理的光照模型。
Lit(Basic)：使用基础光照模型的Shader模板。
Custom Lighting：自定义光照Shader，在此Shader模板中实现自己的光照模型。
Sprite：2D精灵Shader模板，基于2D。
Particle(Additive)：主要应用在发光效果的粒子Shader。
Particle(Alpha-Blended)：主要应用在细碎效果的粒子Shader，如风沙。
Particle(Multiplicative)：主要应用在昏暗效果的粒子Shader，如黑烟。
Sky：天空盒。
Post-Effect：屏幕空间后期处理Shader

三、设置面板

setting.png

Return to menu：返回主界面。
Real-time node rendering：实时节点渲染，是否开启看需求。
Using scroll in the quickpicker：在快速拾取中使用滚动。
Show variable name & precision：显示变量名和精度，看需求开启。
Show node browser panel：显示节点浏览面板，是否开启看个人习惯。
Hierarchal Node Move：层次节点移动。
Compile shader：编译为.shader文件，编译成功按钮为绿色，编译不成功or改动后按钮为红色。
Auto：是否自动编译shader，建议选中。 Skybox：选择天空盒，在不受天空影响的模板中被冻结。
Rotate：选中后模型自动旋转。左上角摄像机按钮：保存当前的连接节点图。
预览面板也支持缩放和旋转视图。

shaderSetting.png

Path：文件路径，可修改。
Fallback：在运行平台硬件不支持该shader的情况下，选择替代shader。
Allow using atlased sprites：2D开发使用，3D默认即可。
Draw call batching：批处理绘制调用，默认Enable。
Inspector preview mode：3D/2D/sky，制作的什么类型选什么。
Target renderers：目标渲染器，如无特殊需求，默认。

properteis.png

可以拖动改变显示位置，同时在Inspector面板更新。

Lighting.png

Render Path：渲染路径，正向渲染或延迟渲染，移动平台选择正向渲染即可。
Light Mode：光照模型，对应不同的Shader模板。分别是无光照（UnLit模板）、Blinn-Phong光照模> > 型，Phong光照模型，PBL（基于物理光照，Lit（PBR）模板）。
Gloss Mode：使用光泽度还是粗糙度模型，根据自己需要。
Transparent Mode：透明度模式，淡出or反射。
Remap gloss from [0,1] to [1,2048]：重映射光泽度从[0,1]到[1,2048]。
Enery Conversing：能量守恒，PBR需要勾选。
Lighting Count：光源数量，单一定向光（太阳光）or多重光源
Lightmap & light probes：灯光贴图&灯光探针。
Per-pixel light probe sampling：逐像素光照探针采样。
Reflection probe support：支持反射探针。
Receive Ambient Light：是否接受环境光。
Mask directional light specular by shadows：定向光高光是否被阴影遮挡。

Geometry.png

Face Culling：面剔除，默认是剔除背面，可选剔除正面，也选择双面渲染。
Normal Quality：法线质量，插值或归一化，默认使用归一化。
Vertex Positioning：顶点位置，世界空间or裁剪空间or广告牌（法线面向摄像机）。
Normal Space：法线空间选择，切线or建模or世界，默认切线空间。
Vertex offset mode：顶点偏移模式，相对偏移or绝对偏移。基于模型空间的顶点偏移叫做相对偏移，世界空间的顶点偏移叫做绝对偏移。
Tessellation Mode：曲面细分模式，一般不需要用到曲面细分。
Outline Extrude Direction：描边挤出方向，一般都是沿着顶点法线方向。
Per-pixel screen coodinates：逐像素屏幕坐标。
Show 2D sprite pixel snap option in material：在材质中显示2D精灵像素单元设置，3D开发忽略。

Blending.png

Blend Mode:混合模式，如果是不透明的就选择Opaque，其余根据需要选择。
Source_+Destination：源*+目标*_，决定了源图像与目标图像以哪种方式混合。
Color Mask：颜色遮罩，需要过滤的通道取消选择。
Dithered alpha clip：抖动透明裁剪，开or关。
Offset Factor：偏移因子。
Offset Units：偏移单位。
Per-object refraction/scene color (expensive):
Receive Fog：应用雾。
Auto Sort：自动排序，如需手动改变排序，在Order中改变数值。数值越小，在渲染队列越靠前。
Depth Test：深度测试。
Ignore Projectors：忽略投影器。
Write to Depth buffer：是否写入深度缓存。
Stencil Buffer：是否开启模板缓存。

四、节点连线编辑面板

1. Main节点

在新建Shader文件时，默认会有一个唯一的Main节点，用于输出材质效果。大家可以参考Unite2014-ShaderForge教程进行整理，链接如下：
https://www.youtube.com/watch?v=WMHpBpjWUlY

Main面板

基本输出会根据 Lighting 设置中的所选的不同光照模型（Unlit/Custom、Blinn-Phong、Phong、PBL）进行计算。

Setting面板

无光照的情况下 FinalColor.rgb = Emission。
使用光照模型的情况下 FinalColor.rgb = Diffuse + Specular + Emission，Normal用于Diffuse和Specular的光照计算。
手机游戏使用光照 一般使用 Forward 前向渲染，使用光照模型 Blinn-Phong ，会计算漫反射、环境光和高光。 Light Count 代表接受单个光源Single Directional还是多个光源Multi-light的影响。 Lightmap & light probes 代表可参与光照烘焙。 Receive Ambient Light 代表接受Lighting面板中设置的环境光的影响。

光照部分的输出 用于在基本光照模型上添加间接光照（Ambient Light和Ambient Occlusion）或者改变光照模型使用自定义光照模型（Custom Lighting）。

2. 以Diffuse为例

使用基本光照模型时，Diffuse = DirectDiffuse + IndirectDiffuse， DirectDiffuse = GI.DirectDiffuse， IndirectDiffuse = （GI.IndirectDiffuse + DiffuseAmbientLight） * Diffuse AmbientOcclusion。
使用自定义光照模型时，Diffuse = CustomLighting。
透明部分的输出用于计算透明值。ShaderForge会根据连线情况来配置 Blending 设置中的混合模式（Opaque、AlphaBlend等）。

Blending面板

默认没有透明输出时，混合模式为Opaque不透明模式，FinalColor.a = 1。Opacity有输出时，根据混合模式对应的运算得到透明度，FinalColor.a = Opacity。
常用的半透明混合模式有AlphaBlend、Additive，AlphaBlend的计算方式为：SrcAlpha+DstOneMinusSrcASlpha；Additive的计算方式为SrcAlpha+DstOne。
OpacityClip有输出时，会忽略混合模式，默认情况下只渲染高于0.5的颜色值，FinalColor.a = Clip（OpactiyClip -0.5）。
Receive Fog 代表接受雾效影响。 Auto Sort 代表根据混合模式自动选择渲染队列，一般情况下不需要手动修改。 Ignore Projectors 代表忽略投影这类对象的影响。 Write to Depth buffer 代表写深度。
几何绘制部分的输出可以改变绘制物体的顶点计算。

Geometry面板

3. 节点操作

从节点列表里选择节点拖动到编辑面板中，熟练后可以通过节点名称的首字母以快捷键的方式找到节点。比如使用快捷键“T”找到Texture2D节点，点击添加。

节点操作

4. 其他常用的快捷操作

选中节点：使用Alt+鼠标框选

Alt+鼠标框选

断开连线：使用Alt+右键划动

Alt+右键划动

5. 常用节点

官方对节点的说明有详细的描述和图解，建议有疑问的时候去查看官方文档：
http://www.acegikmo.com/shaderforge/nodes/

这里简单说明下颜色的加减乘幂运算。Multiply乘法通常用于使颜色变亮（Color2.0）或变暗（Color0.5），Add加法通常用于使颜色变亮（Color+0.5），Subtract减法通常用于使颜色变暗（Color-0.5），Power幂可以用于对比度调整（Pow（Color，2.2））。

涉及判断（If）的运算通常不推荐在手机游戏中使用，可以通过Min、Max、Step等运算避开。

节点实例

1. 偏色

偏色

2. UV变化
Pannel、Rotation等节点可用于改变UV，配合Time节点的运算可以产生UV动画。

UV变化

3. 勾边光
Fresnel节点用于获取绘制对象的边缘。

勾边光

4. 地形
Lerp线性插值可以通过一个蒙版贴图来混合两张贴图来得到混合效果。

地形

五、代码和优化

从美术的角度来看，不管是否想学习Shader代码，都需要了解它并配合程序员完成最终的优化。优化工作一部分在于节点的使用，另一部分在于代码的删减，这两个方面都可以由程序员来配合完成。从程序的角度来看，也许会认为美术制作Shader是不可掌控的，而实际上，我们应该鼓励美术去学习图形化的Shader编辑工具，并进行指导和优化。

使用ShaderForge制作的Shader可以通过文本的方式打开查看，ShaderForge通过代码开始位置的注释来还原节点连线。

一个普通Shader使用ShaderForge与手写代码的对比如下图所示。