【Unity Shader编程】之十四 边缘发光Shader Rim Shader 的两种实现形态

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 本系列文章由@浅墨_毛星云 出品，转载请注明出处。  
 文章链接： http://blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/51764028
 作者：毛星云（浅墨）    微博：http://weibo.com/u/1723155442 
 本文工程使用的Unity3D版本： 5.2.1 

这篇文章主要讲解了如何在Unity3D中分别使用Surface Shader和Vertex & Fragment Shader来编写边缘发光Shader。

 

一、最终实现的效果

 

边缘发光Shader比较直观的一个运用便是模拟宇宙中的星球效果。将本文实现的边缘发光Shader先赋一个Material，此Material再赋给一个球体，加上Galaxy Skybox， 实现的效果如下图：

 

当然，边缘发光Shader也可以实现例如暗黑三中精英怪的高亮效果，将一个怪物模型本身的Shader用边缘发光Shader替代，实现效果如下图：

 

以下是本文实现的Shader在编辑器中的一些效果图。

        

   

二、Shader实现思路分析

 

思路方面，其实理解起来非常简单，就是在正常的漫反射Shader的基础之上，在最终的漫反射颜色值出来之后，再准备一个自发光颜色值，附加上去，即得到了最终的带自发光的颜色值。

按公式来表达，也就是这样：

 

 最终颜色 = （漫反射系数 x 纹理颜色 x RGB颜色）+自发光颜色

 

按英文公式来表达，也就是这样：

 FinalColor=(Diffuse x Texture x RGBColor)+Emissive

 

 

 

 

 

三、Surface Shader版边缘发光Shader实现

如果读过这个系列第一篇文章的朋友，应该还记得这个系列的第一篇文章（传送门：http://blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/40723789），里面的TheFirstShader，它就是一个标准的使用Unity Surface Shader实现的边缘发光Shader。

利用Unity自身的Shader封装，Surface Shader，也就是Shaderlab，算是新手或者想快速上手的童鞋学习Unity中Shader书写的一个非常好的切入点。

这边贴出经过加强的第一期TheFirstShader详细注释后的源代码。可以发现里面关于主要框架的注释都是中英双语的，因为发现不少国外友人也关注了我在Github上的Shader repo（https://github.com/QianMo/Awesome-Unity-Shader），为了方便他们以及后面更多的国外友人，以后如果周末写博客的时间充裕，就干脆写中英双语的注释得了。

OK，详细注释后的Surface Shader版可发光Shader源代码如下：

Shader "Learning Unity Shader/Lecture 14/Surface Rim Shader"{ //-----------------------------------【属性 || Properties】------------------------------------------   Properties {  //主颜色 || Main Color  _MainColor("【主颜色】Main Color", Color) = (0.5,0.5,0.5,1)  //漫反射纹理 || Diffuse Texture  _MainTex("【纹理】Texture", 2D) = "white" {}  //凹凸纹理 || Bump Texture  _BumpMap("【凹凸纹理】Bumpmap", 2D) = "bump" {}  //边缘发光颜色 || Rim Color  _RimColor("【边缘发光颜色】Rim Color", Color) = (0.17,0.36,0.81,0.0)  //边缘发光强度 ||Rim Power  _RimPower("【边缘颜色强度】Rim Power", Range(0.6,36.0)) = 8.0  //边缘发光强度系数 || Rim Intensity Factor  _RimIntensity("【边缘颜色强度系数】Rim Intensity", Range(0.0,100.0)) = 1.0 } //----------------------------------【子着色器 || SubShader】---------------------------------------   SubShader {  //渲染类型为Opaque，不透明 || RenderType Opaque  Tags  {   "RenderType" = "Opaque"   }  //-------------------------开启CG着色器编程语言段 || Begin CG Programming Part----------------------   CGPROGRAM   //【1】声明使用兰伯特光照模式 ||Using the Lambert light mode   #pragma surface surf Lambert     //【2】定义输入结构 ||  Input Struct   struct Input   {    //纹理贴图 || Texture    float2 uv_MainTex;    //法线贴图 || Bump Texture    float2 uv_BumpMap;    //观察方向 || Observation direction    float3 viewDir;     };   //【3】变量声明 || Variable Declaration   //边缘颜色   float4 _MainColor;   //主纹理   sampler2D _MainTex;     //凹凸纹理     sampler2D _BumpMap;   //边缘颜色   float4 _RimColor;   //边缘颜色强度   float _RimPower;   //边缘颜色强度   float _RimIntensity;   //【4】表面着色函数的编写 || Writing the surface shader function   void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o)   {    //表面反射颜色为纹理颜色      o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb*_MainColor.rgb;    //表面法线为凹凸纹理的颜色      o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap));    //边缘颜色      half rim = 1.0 - saturate(dot(normalize(IN.viewDir), o.Normal));    //计算出边缘颜色强度系数      o.Emission = _RimColor.rgb * pow(rim, _RimPower)*_RimIntensity;   }  //-------------------结束CG着色器编程语言段 || End CG Programming Part------------------    ENDCG }  //后备着色器为普通漫反射 || Fallback use Diffuse  Fallback "Diffuse"}

 

稍微琢磨一下就明白，此Shader其实就是用利用了Unity5中封装好的Standard Surface Output结构体中的Emission（自发光）属性，来达到这样的边缘光效果，技术含量很有限。这边附一下Unity5中的SurfaceOutputStandard原型：

 

// Unity5 SurfaceOutputStandard原型：struct SurfaceOutputStandard{ fixed3 Albedo;                  // 漫反射颜色 fixed3 Normal;                  // 切线空间法线 half3 Emission;                 //自发光 half Metallic;                    // 金属度；取0为非金属, 取1为金属 half Smoothness;             // 光泽度；取0为非常粗糙, 取1为非常光滑 half Occlusion;                 // 遮挡(默认值为1) fixed Alpha;                      // 透明度};

将此Shader赋给Material后在编辑器效果图：

 

 里面有6个参数，包括主颜色、纹理、凹凸纹理、边缘发光颜色、边缘颜色强度、边缘颜色强度系数这六个参数可以定制与调节，只要贴图资源到位，就很容易可以调出自己满意的效果来。

 

 

四、可编程Shader版边缘发光Shader的实现

这篇文章核心主要就是实现本节的这个可编程版（也就是Vertex & Fragment Shader）边缘发光Shader。大家知道，Vertex & Fragment Shader是比Surface Shader更高一段位的实现形态，有更大的可控性，更好的可编程性，可以实现更加丰富的效果，是更贴近CG着色语言的一种Shader形态。

OK，直接贴出经过详细注释的Vertex & Fragment Shader版边缘发光Shader实现源代码：

 

Shader "Learning Unity Shader/Lecture 14/Basic Rim Shader" { //-----------------------------------【属性 || Properties】------------------------------------------   Properties {  //主颜色 || Main Color  _MainColor("【主颜色】Main Color", Color) = (0.5,0.5,0.5,1)  //漫反射纹理 || Diffuse Texture  _TextureDiffuse("【漫反射纹理】Texture Diffuse", 2D) = "white" {}   //边缘发光颜色 || Rim Color  _RimColor("【边缘发光颜色】Rim Color", Color) = (0.5,0.5,0.5,1)  //边缘发光强度 ||Rim Power  _RimPower("【边缘发光强度】Rim Power", Range(0.0, 36)) = 0.1  //边缘发光强度系数 || Rim Intensity Factor  _RimIntensity("【边缘发光强度系数】Rim Intensity", Range(0.0, 100)) = 3 } //----------------------------------【子着色器 || SubShader】---------------------------------------   SubShader {  //渲染类型为Opaque，不透明 || RenderType Opaque  Tags  {   "RenderType" = "Opaque"  }  //---------------------------------------【唯一的通道 || Pass】------------------------------------  Pass  {   //设定通道名称 || Set Pass Name   Name "ForwardBase"   //设置光照模式 || LightMode ForwardBase   Tags   {    "LightMode" = "ForwardBase"   }   //-------------------------开启CG着色器编程语言段 || Begin CG Programming Part----------------------     CGPROGRAM    //【1】指定顶点和片段着色函数名称 || Set the name of vertex and fragment shader function    #pragma vertex vert    #pragma fragment frag    //【2】头文件包含 || include    #include "UnityCG.cginc"    #include "AutoLight.cginc"    //【3】指定Shader Model 3.0 || Set Shader Model 3.0    #pragma target 3.0    //【4】变量声明 || Variable Declaration    //系统光照颜色    uniform float4 _LightColor0;    //主颜色    uniform float4 _MainColor;    //漫反射纹理    uniform sampler2D _TextureDiffuse;     //漫反射纹理_ST后缀版    uniform float4 _TextureDiffuse_ST;    //边缘光颜色    uniform float4 _RimColor;    //边缘光强度    uniform float _RimPower;    //边缘光强度系数    uniform float _RimIntensity;    //【5】顶点输入结构体 || Vertex Input Struct    struct VertexInput     {     //顶点位置 || Vertex position     float4 vertex : POSITION;     //法线向量坐标 || Normal vector coordinates     float3 normal : NORMAL;     //一级纹理坐标 || Primary texture coordinates     float4 texcoord : TEXCOORD0;    };    //【6】顶点输出结构体 || Vertex Output Struct    struct VertexOutput     {     //像素位置 || Pixel position     float4 pos : SV_POSITION;     //一级纹理坐标 || Primary texture coordinates     float4 texcoord : TEXCOORD0;     //法线向量坐标 || Normal vector coordinates     float3 normal : NORMAL;     //世界空间中的坐标位置 || Coordinate position in world space     float4 posWorld : TEXCOORD1;     //创建光源坐标,用于内置的光照 || Function in AutoLight.cginc to create light coordinates     LIGHTING_COORDS(3,4)    };    //【7】顶点着色函数 || Vertex Shader Function    VertexOutput vert(VertexInput v)     {     //【1】声明一个顶点输出结构对象 || Declares a vertex output structure object     VertexOutput o;     //【2】填充此输出结构 || Fill the output structure     //将输入纹理坐标赋值给输出纹理坐标     o.texcoord = v.texcoord;     //获取顶点在世界空间中的法线向量坐标       o.normal = mul(float4(v.normal,0), _World2Object).xyz;     //获得顶点在世界空间中的位置坐标       o.posWorld = mul(_Object2World, v.vertex);     //获取像素位置     o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);     //【3】返回此输出结构对象  || Returns the output structure     return o;    }    //【8】片段着色函数 || Fragment Shader Function    fixed4 frag(VertexOutput i) : COLOR    {     //【8.1】方向参数准备 || Direction     //视角方向     float3 ViewDirection = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWorld.xyz);     //法线方向     float3 Normalection = normalize(i.normal);     //光照方向     float3 LightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);     //【8.2】计算光照的衰减 || Lighting attenuation     //衰减值     float Attenuation = LIGHT_ATTENUATION(i);     //衰减后颜色值     float3 AttenColor = Attenuation * _LightColor0.xyz;     //【8.3】计算漫反射 || Diffuse     float NdotL = dot(Normalection, LightDirection);     float3 Diffuse = max(0.0, NdotL) * AttenColor + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;     //【8.4】准备自发光参数 || Emissive     //计算边缘强度     half Rim = 1.0 - max(0, dot(i.normal, ViewDirection));     //计算出边缘自发光强度     float3 Emissive = _RimColor.rgb * pow(Rim,_RimPower) *_RimIntensity;     //【8.5】计在最终颜色中加入自发光颜色 || Calculate the final color     //最终颜色 = （漫反射系数 x 纹理颜色 x rgb颜色）+自发光颜色 || Final Color=(Diffuse x Texture x rgbColor)+Emissive     float3 finalColor = Diffuse * (tex2D(_TextureDiffuse,TRANSFORM_TEX(i.texcoord.rg, _TextureDiffuse)).rgb*_MainColor.rgb) + Emissive;         //【8.6】返回最终颜色 || Return final color     return fixed4(finalColor,1);    }   //-------------------结束CG着色器编程语言段 || End CG Programming Part------------------     ENDCG  } } //后备着色器为普通漫反射 || Fallback use Diffuse FallBack "Diffuse"}

 相信不少朋友已经看出来了，与普通的漫反射Shader相比，这个Shader的魔力就在于多出了“8.4准备自发光参数”和“8.5在最终颜色中加入自发光颜色"两个步骤而已，前面都是普通的Vertex & Fragment Shader常规写法。

将此Shader赋给Material，得到的效果如下：

  

 

  

当然，你也可以将这两个Shader用于场景中各种模型，以下是一组效果图：

 

OK，这篇文章的内容大致如此。我们下篇文章，再会。

附： 本文配套源码下载链接

【Github】本文Shader源码

           

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