《Unity Shader入门精要》笔记：高级篇（3）以及扩展

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目录

噪声

消融效果

水波效果

Unity中的渲染优化技术

影响性能的因素

Unity中的渲染分析工具

减少draw call数目

减少需要处理的顶点数目

减少需要处理的片元数目

减少带宽

减少计算复杂度

扩展

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噪声

消融效果

• 原理：噪声纹理+透明度测试

//核心代码在于：
//第一个Pass
float4 frag (VertexOutput i) : SV_Target
{
				fixed3 burn = tex2D(_BurnMap, i.uvBurnMap).rgb;
//burn为噪声贴图，_BurnAmount为时间
				clip(burn.r - _BurnAmount);
				fixed t = 1 - smoothstep(0.0, _LineWidth, burn.r - _BurnAmount);
				fixed3 burnColor = lerp(_BurnFirstColor, _BurnSecondColor, t);
				burnColor = pow(burnColor, 5);
				//书里面写的是3D的，然后这里我改了改放在了2D上面
				fixed4 finalColor = lerp(这里填入你原本的颜色, fixed4(burnColor,1.0), t * step(0.0001, _BurnAmount));
				return finalColor;
}
//第二个用于裁剪的Pass
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
{
				fixed3 burn = tex2D(_BurnMap, i.uvBurnMap).rgb;
				clip(burn.r - _BurnAmount);
				SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i)
}

 

• 当你试图把你的砖块贴图当成噪声放上去的时候

 

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水波效果

• 把噪声图当做高度图使用，不断修改水面的法线方向。
  把立方纹理作为环境纹理贴图模拟折射效果。
• 使用菲涅尔系数动态混合反射和折射颜色，v和n代表视角方向和法线方向。夹角越小，数值越小，反射越弱。

Shader "Example/Water Wave" {
	Properties {
		_Color ("Main Color", Color) = (0, 0.15, 0.115, 1)
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
		_WaveMap ("Wave Map", 2D) = "bump" {}
		_Cubemap ("Environment Cubemap", Cube) = "_Skybox" {}
		_WaveXSpeed ("Wave Horizontal Speed", Range(-0.1, 0.1)) = 0.01
		_WaveYSpeed ("Wave Vertical Speed", Range(-0.1, 0.1)) = 0.01
		_Distortion ("Distortion", Range(0, 100)) = 10
	}
	SubShader {

		Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Opaque" }
//抓取屏幕图像，并自定义名字传入到下方的Pass并采样
		GrabPass { "_RefractionTex" }
		
		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			CGPROGRAM
			
			#include "UnityCG.cginc"
			#include "Lighting.cginc"
			
			#pragma multi_compile_fwdbase
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
//水的关于波纹的法线噪声贴图
			sampler2D _WaveMap;
			float4 _WaveMap_ST;
//环境贴图
			samplerCUBE _Cubemap;
			fixed _WaveXSpeed;
			fixed _WaveYSpeed;
//控制扭曲程度
			float _Distortion;	
			sampler2D _RefractionTex;
			float4 _RefractionTex_TexelSize;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 tangent : TANGENT; 
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float4 scrPos : TEXCOORD0;
				float4 uv : TEXCOORD1;
				float4 TtoW0 : TEXCOORD2;  
				float4 TtoW1 : TEXCOORD3;  
				float4 TtoW2 : TEXCOORD4; 
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				
				o.scrPos = ComputeGrabScreenPos(o.pos);
				
				o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
				o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _WaveMap);
				
				float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;  
				fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  
				fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);  
				fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal, worldTangent) * v.tangent.w; 
//得到切线空间下的3个坐标轴（切线、附切线和法线的方向）在世界空间下的表示
				o.TtoW0 = float4(worldTangent.x, worldBinormal.x, worldNormal.x, worldPos.x);  
				o.TtoW1 = float4(worldTangent.y, worldBinormal.y, worldNormal.y, worldPos.y);  
				o.TtoW2 = float4(worldTangent.z, worldBinormal.z, worldNormal.z, worldPos.z);  
				
				return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				float3 worldPos = float3(i.TtoW0.w, i.TtoW1.w, i.TtoW2.w);
				fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
//计算法线纹理当前偏移量
				float2 speed = _Time.y * float2(_WaveXSpeed, _WaveYSpeed);
//两次采样对应了模拟两层交叉的睡眠波动效果。
				fixed3 bump1 = UnpackNormal(tex2D(_WaveMap, i.uv.zw + speed)).rgb;
				fixed3 bump2 = UnpackNormal(tex2D(_WaveMap, i.uv.zw - speed)).rgb;
				fixed3 bump = normalize(bump1 + bump2);
//选用切线空间下的法线进行便宜
				float2 offset = bump.xy * _Distortion * _RefractionTex_TexelSize.xy;
				i.scrPos.xy = offset * i.scrPos.z + i.scrPos.xy;
//使用透视除法并采样得到折射颜色
				fixed3 refrCol = tex2D( _RefractionTex, i.scrPos.xy/i.scrPos.w).rgb;
				
				bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz, bump), dot(i.TtoW1.xyz, bump), dot(i.TtoW2.xyz, bump)));
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv.xy + speed);
				fixed3 reflDir = reflect(-viewDir, bump);
//使用反射方向对CUBE采样，把结果和主纹理颜色相乘得到反射颜色。
				fixed3 reflCol = texCUBE(_Cubemap, reflDir).rgb * texColor.rgb * _Color.rgb;
//计算菲涅尔系数并混合折射和反射。
				fixed fresnel = pow(1 - saturate(dot(viewDir, bump)), 4);
				fixed3 finalColor = reflCol * fresnel + refrCol * (1 - fresnel);
				
				return fixed4(finalColor, 1);
			}
			
			ENDCG
		}
	}
	// Do not cast shadow
	FallBack Off
}

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Unity中的渲染优化技术

• 不同平台不同手机型号所用架构都各有差异，这就要求在移动平台上需要花更大的功夫去做优化。例如：PowerVR芯片（用于IOS和部分安卓）使用基于瓦片的延迟渲染架构（TBDR）。Adreno（高通）和Mali（ARM的芯片）使用Early-z或相似技术进行一个低精度的深度检测，来剔除那些不需要渲染的片元。Tegra（英伟达芯片）使用传统架构设计，overdraw（一个像素被绘制多次）可能会造成性能瓶颈。

影响性能的因素

• CPU：负责保证帧率。有可能的性能影响：1、过多的draw call 2、复杂的脚本或物理模拟
• GPU：负责分辨率相关的处理。有可能的性能影响
  顶点处理：1、过多的顶点 2、过多的逐顶点计算
  片元处理：1、过多的片元（有可能是分辨率，也有可能是overdraw）2、过多逐片元计算
• Draw Call：CPU在每次通知GPU进行渲染之前，都要提前准备好顶点数据（位置、颜色、法线、纹理坐标等），然后调用一系列API把他们放到GPU可以访问到的指定位置，最后调用绘制指令。而调用绘制命令会产生一个draw call，过多的draw call会造成CPU性能瓶颈。这是因为CPU往往需要盖面很多渲染状态的设置，这很好费时间。
• 优化技术：
  CPU:使用批处理技术减少draw call数目。
  GPU：1、减少需要处理的顶点数目：优化几何体，使用模型的LOD（level of detail）技术，使用遮挡剔除（Occlusion Culling）技术 2、减少需要处理的片元数目：控制绘制程序，警惕透明物体，减少实时光照 3、减少计算复杂度：使用Shader的LOD技术，代码方面的优化
  节省内存带宽：1、减少纹理大小 2、利用分辨率缩放

Unity中的渲染分析工具

• 渲染统计窗口：他会统计音频、图像、网络三个方面信息。

• FPS：帧率以及处理一帧所需的时间（括号内）
• Batches：一帧需要进行的批处理数目
• Saved by batching：合并的批处理数目（表明批处理为我们节省了多少draw call）
• Tris，Verts：需要绘制的三角面片和顶点数目
• Screen：屏幕大小以及占用内存大小
• SetPass calls：渲染使用的pass数目（每个pass都需要Unity的runtime绑定新的Shader，这可能造成CPU性能瓶颈）
• shadow casters：阴影映射数目
• Visible skinned meshes：渲染的蒙皮网格数目
• Animation/Animator components playing：播放动画数目

• 性能分析器（Profiler）：通过Window->Analysis->Profiler打开。

• 帧调试器（Frame Debugger）：Window->Analysis->Frame Debugger打开。在窗口中可以查看每个draw call的工作和结果。
• Drawing为10代表绘制工作需要10个draw call完成，剩余的4个draw call是准备处理工作。

• 其他平台性能分析工具：
  安卓：高通分析工具可以对不同测试机进行详细的性能分析。英伟达提供了NVPerfHUD工具。
  IOS平台：Unity内置工具可以得到整个场景花费GPU的时间。PoweVRAM的PVRUniSCo shader也可以给出一些宏观上的性能信息。

减少draw call数目

• Unity渲染优化的4种批处理：传送门
• 动态批处理：如果场景中有一些模型共享了同一个材质并满足一些条件，Unity就可以自动把他们进行批处理，合并为一个draw call完成。
  原理：每一帧把可以进行批处理的模型网络进行合并，再把合并后模型数据传递给GPU，然后使用同一个材质对其渲染。
  条件限制：1、能够进行动态批处理的网格的顶点属性规模要小于900。（该规模大小为Unity5时所设定）2、所有对象最好使用同一个缩放尺度。 3、使用光照纹理的物体需要小心处理。 4、多Pass的Shader会被批处理中断。
• 静态批处理：适用于任何大小的几何模型。在Unity中只需要勾选模型的Static可选框即可变为静态批处理。
  原理：在运行开始阶段，把需要进行静态批处理的模型合并到一个新的网格结构中。但只需要进行一次合并操作，因此要比动态批处理更加高效。缺点有：模型不可以在运行时刻被移动，占用更多的内存空间来存储合并后的集合结构。
  对于不同材质的物体，静态批处理可以减少draw call之间的切换，同样也可以优化性能。

• 共享材质：如果两个材质之间只有使用的纹理不同，我们可以把这些文理合并到一张更大的纹理中，这张更大的纹理被称为一张图集（atlas），再次使用时采用不同的采样坐标即可。

减少需要处理的顶点数目

• 优化几何体：Unity和三维建模软件中都有相应优化选项。Unity中显示的顶点数目一般会多于三维建模软件中的，因为Unity要进行GPU计算，会进行顶点拆分。
• 模型的LOD技术：当一个物体离摄像机很远时，模型上的细节无法被察觉到。因此LOD允许当对象原理摄像机时，减少模型上的面片数量。
• 遮挡剔除技术：消除其他物件后面看不到的物件，因此就不会计算看不到的顶点。

减少需要处理的片元数目

• 这部分的重点在于减少overdraw
• 控制绘制顺序：深度测试可以保证物体都是从前往后绘制的，可以很大程度上减少overdraw。
  人为控制绘制顺序的经验：优先绘制主人公，敌人绘制顺序可以往后放，天空盒子放在渲染队列最后。
• 透明物体：移动设备尽量避免半透明物体的绘制，或者考虑开启深度写入的透明方法。
• 减少实时光照和阴影：使用逐像素点光源以及逐像素的Shader可能造成draw call数目成倍增加，同时也会增加overdraw的数量。同时同态批处理和静态批处理都无法优化逐像素点光源。
  解决方法：1、提前进行光照烘焙得到光照纹理，进行光源模拟。 2、使用God Ray进行光源模拟，通过透明纹理的模拟来得到。 3、使用查找纹理，提前存储好内容，使用时根据光源方向，视角方向，法线方向等参数直接采样得到光照结果。这种方法可以得到更出色的光照模型。

减少带宽

• 减少纹理大小：
  1、纹理长宽比最好是正方形，且最少是2的整数幂。
  2、尽可能使用多级渐远纹理技术（mipmapping）和纹理压缩。（书中所述的Advanced的Texture Type已经没有了，在Default类型中也可以直接设置是否生成Mip Maps，如下图所示）纹理压缩如下图最下方的Format选项所示，Unity会自动根据平台不同采用不同纹理压缩技术。

• 利用分辨率缩放：过高屏幕分别率也会造成性能下降。Unity设置屏幕分辨率可以直接调用Screen.SetResolution

减少计算复杂度

• Shader的LOD技术：和模型的LOD技术类似。只有Shader的LOD值小于某个设定的值，这个Shader才会被使用，而超过了的物体将不会被渲染。（difffuse的LOD为200，Bumped Specular为400）
• 代码方面的优化：1、尽可能使用低精度的浮点值进行运算，高精度，float适用于存储顶点坐标等变量。half适用于一些标量、纹理坐标等变量，计算速度大约是float的两倍。fixed适用于绝大多数颜色变量和归一化后的方向矢量，计算速度大约是float的4倍。2、尽可能使用全屏的屏幕后处理效果。 3、尽可能不要使用分支语句和循环语句，避免三角函数、pow、log等复杂的数学运算（可以用查找表进行代替）,尽可能不要使用discard操作会影响硬件某些优化。

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扩展

• 书中的最后一个部分主要是一些扩展内容的讲解，这里不作过多赘述，推荐去原书中阅览一番。（另外原作者在Github中更新了最后一个章节的新内容，部分与原版书籍不同）根据书中扩展内容加之本人的理解，提到如下可以扩展的方向，也是值得有时间找专门教程仔细研究一番：
• 表面着色器
• PBS基于物理的渲染
• 光线追踪技术
• 伽马校正、HDR
• SRP、URP、HDRP
• ShaderGraph

完结撒花~