unity-shader-2

个人学习使用，摘抄《unity shader 入门》一书中部分重要内容

创建 shader

在 unity 中使用 shader (手写)：

1. 创建材质，创建 shader ，将 shader 应用于材质

2. 创建物体(需要有 meshrender、meshfliter 组件)，将材质应用于物体

3. 在材质面板中，调整 shader 属性改变物体外观

创建 shader 时的预设：

选项分别为：

• 包含标准光照模型的表面着色器（和光源打交道）
• 不含光照 (含雾效) 的顶点 / 片元着色器（光源较少、需要自定义渲染效果）
• 实现屏幕后处理效果的模板
• 利用GPU并行性进行一些计算的模板
• 包含光线追踪相关计算的模板

还可以通过 shader graph 图形界面来创建 shader ，两种创建方法在 unity 内部作用的一致。

shaderLab

unity 为方便用户写 shader 专门提供的一种语言——shaderLab 格式类似 JSON ：

一个 shader 包括自身信息、子着色器 SubShader 和默认着色器 Fallback 三部分

// shader 名称
Shader "Custom/ToonShader" {
	Properties {
		// 属性的名字（用于 shader 计算应用各种效果） 显示在面板上的名字（用于提示用户方便调整各种效果） 属性的类型（数据类型）
		// 支持的类型 int float range color vector 2d cube 3d
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
	}
	SubShader {
		// 显卡A使用的子着色器 的代码
		// 可选的标签
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		// 可选的状态
		Cull Front
		ZWrite Off
		// 代表一次渲染流程
		Pass {
			// 定义名称
			Name "OUTLINE"
			// 定义 Pass 在 unity 渲染流水线中的角色
			Tags{ "LightMode" = "Always" }
		}
	}
	SubShader {
		// 显卡B使用的子着色器
		[Tags]
		[RenderSetup]
		Pass {
			[Name]
			[Tags]
			[RenderSetup]
		}
	}
	// 当显卡无法执行以上任何一个着色器时，默认使用的着色器
	FallBack "Diffuse"
}

---

表面着色器是 unity 提供的对顶点/片元着色器的一种抽象（本质上自动会转化为顶点/片元着色器），自动处理光照细节，让用户方便快捷地使用 shader
定义在 subshader 语句块中，而非 pass 语句块，在 CGPROGRAM 关键字与 ENDCG 之间(使用CG/HLSL语言编写)。

Shader "..." {
	SubShader {
		Tags {}
		CGPROGRAM
		#pragma surface surf Lambert
		struct Input {
			float4 color : COLOR;
		};
		void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			o.Albedo = 1;
		}
		ENDCG
	}
}

片元/顶点 着色器定义在 pass 语句块中

Shader "..." {
	SbuShader {
		Pass {
			CGPROGRAM
			// 编译指令
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			float4 vert(float4 v : POSITION) : SV_POSITION {
				return mul (UNTY_MATRIX_MVP, v);
			}
			fixed4 frag() :SV_Target {
				return fixed4(1.0,0.0,0.0,1.0);
			}
			ENDCG
		}
	}
}

上述两种都是较新的可编程管线，较旧的设备可能不支持，就需要使用固定函数着色器。

unity 中，模型空间使用左手坐标系

观察空间使用右手坐标系，相机沿着 -Z 方向看，Z 值越小，离摄像机越远

数学基础

笛卡尔坐标系（原点、两或三条垂直的轴）、点和向量

左手坐标系和右手坐标系

矢量和标量、矢量乘除标量、三角形法则、矢量的模

方向向量、归一化、点积和叉积

点积的意义：投影、向量之间夹角的余弦（判断玩家是否处于敌怪前方的视角范围）

点积的性质：点积与标量乘法结合、点积与矢量加减结合、自身的点积等于模的平方

叉积的意义：得到同时垂直于两个向量的新向量（法向量）、向量之间夹角的正弦、判断三角形面朝里还是朝外（根据左手坐标系、三个顶点逆时针排列时三角形面朝向正前方）

矩阵

用来描述矢量的坐标空间转换、矢量的位置变换

把矢量转化成行矩阵或列矩阵，参与矩阵的运算，就能得到变换后的矢量（在unity中把矢量转化为列矩阵，放在最右边参与矩阵的运算，阅读时从右往左阅读，矢量使用矩阵进行变换）

矩阵和标量的乘法、矩阵和矩阵的乘法（新矩阵的每个元素Cij的值，等于原矩阵A中i行和B中j列矢量的点积）

特殊的矩阵

方阵（又叫方块矩阵，行列数目相同）、对角矩阵（对角线上元素不为0，其余元素为0的方阵）、单位矩阵（对角线上元素为1，其余为0的方阵）、转置矩阵（行列交换、串接再转置等于转置再反向串接）

逆矩阵（首先得是方阵，然后它与原矩阵的乘积为单位矩阵）

如果矩阵有逆矩阵，它就是可逆的（非奇异的）（行列式不为0）；否则它就是不可逆的（奇异的）。

逆矩阵的性质：逆矩阵的逆矩阵是它本身、单位矩阵的逆矩阵是它本身、转置再求逆等于求逆再转置、串接再求逆等于求逆再反向串接

正交矩阵：矩阵和它的转置矩阵乘积为单位矩阵，那么这个矩阵就是正交矩阵（结合逆矩阵的定义，我们发现正交矩阵的转置等于正交矩阵的逆矩阵）

矩阵与它的转置矩阵乘积的结果的行矢量是单位矢量、且互相垂直时(矩阵行列之间构成一组标准正交基矢量)，那它就是一个正交矩阵。P60

变换

用矩阵表示变换

线性变换：可以保留矢量加法、矢量与标量乘法的变换，定义变换

$$\begin{gathered} \mathbf{f}(x+y)=\mathbf{f}(x)+\mathbf{f}(y) \\ \mathbf{f}(kx)=k\mathbf{f}(x) \end{gathered}$$

线性变换包括：缩放、旋转、错切、镜像、正交投影，都可以 3 x 3 的矩阵表示

但是平移变换不能

因此引入仿射变换，仿射变换就是合并了线性变换和平移变换的变换类型，把矢量扩展到了四维空间用 4 x 4 的矩阵表示，这就是齐次坐标空间

因此需要把原先的三维向量转换为四维向量，这就是齐次坐标（可以超过四维）

对于原先的一个点，转化为四维坐标时，w 值为 1；对于原先的方向矢量，转化为四维坐标时，w 值为 0

平移矩阵、缩放矩阵、旋转矩阵（与GS101图形学入门中的变换矩阵相同，故省略）

大多数情况下，我们约定组合变换的顺序是：先缩放，再旋转，最后平移

unity 中绕多个轴旋转时的顺序为 zxy

坐标变换

顶点着色器阶段时，模型的顶点坐标要从模型空间，转换到齐次裁剪坐标空间中（单位正方体空间）

模型空间 model space：又称对象空间、局部空间，是和对象有关的独立坐标空间，unity中模型空间使用左手坐标系

世界空间 world space：最外层的坐标空间，用于描述绝对位置，左手坐标系

观察空间 view space：又称摄像机空间，摄像机为原点，在unity中摄像机后方为+Z轴、右方为+X轴、上方为+Y轴

观察空间使用右手坐标系，符合 OpenGL 标准，摄像机正前方为-Z轴

将模型坐标从世界空间转换到观察空间时，由于从左手坐标系转换到右手坐标系，需要对 z 分量取反，就是再乘上一个特殊矩阵 $\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$ 来得到最终结果 P76

裁剪空间 clip space ：由摄像机可以看到的空间，视锥体决定的空间。视锥体由 6 个平面包围而成，又叫裁剪平面。其中，近裁剪平面和远裁剪平面决定摄像机能看到的深度范围。

视锥体有两类分别对应两种投影类型：正交投影和透视投影

为了更通用的表示两种投影，我们先将顶点从观察空间转换到裁剪空间（这一步就是投影变换）中，之后根据 6 个裁剪平面的坐标进行裁剪（判断物体是否可见、部分可见）。

顶点进行正交投影后，w分量仍为1；进行透视投影后，w分量为-z。

屏幕空间：由像素点组成的二维空间。从裁剪空间变换到屏幕空间，需要经过齐次除法，得到归一化的设备坐标（在标准立方体中的坐标，OpenGL是[-1,1]的坐标范围，directX是[0,1]的坐标范围，unity使用OpenGL的规范）。

unity 中，屏幕坐标系左下角是 (0,0) ，将上述的 [-1,1] 坐标范围经过缩放，映射到 (0,0) ~ (screenWidth,screenHeight) 就能得到像素坐标

整个渲染流水线中，顶点经过了哪些坐标变换？P70
M–模型变换、V–观察变换（视图变换）、P–投影变换、屏幕映射（视口变换）

法线变换

模型的顶点往往带有法线信息，用变换矩阵变换顶点和大部分方向向量没问题，但是变换法线时可能出现问题。例如在进行非统一缩放变换时，变换后的法线不再垂直。因此需要一个新的矩阵来变换法线。

首先，法线垂直于切线，又因为切线可以由两个顶点之间的差值计算，那么我们就可以拿变换后的切线来算出法线

推导过程省略，最后的结论就是，原变换矩阵的逆转置矩阵可以用来变换法线，得到正确的结果。P87