Unity shader 官网文档全方位学习（基础）


What?? Shader，看起来好高级的样子，是的，这是Unity中高级进阶的必备。因此，兄弟我就在此记下我学习官网的一些心得。
此为一。主要介绍些Surface Shaders的知识。具体的大家也可去官网（如下）学习。

http://docs.unity3d.com/Documentation/Components/SL-SurfaceShaders.html

一、概念篇

1.基准：unity里的shader并不是一门独特的语言，而是一种代码生成方式，且可将低层次且复杂的shader编程进行简化。但同时你也还是得使用Cg/HLSL来写的。

2.原理：写一个函数，以UVs或者一些数据为入口，然后以SurfaceOutput为输出。同时在SurfaceOutput这个结构体里还有不同的 属性。这样对于这个函数来说，他的执行过程会生成vertex和pixel的Shader，并且传递一些渲染的路径。

3.结构：输出结构：

Albedo，是漫反射的颜色值。

Normal，法线坐标

Emission，自发光颜色

Specular，镜面反射系数

Gloss，光泽系数

Alpha，透明度系数

二、编程规则

1.要写在CGPROGRAM..ENDCG的SubShader的块里。不可写在Pass里。

2.shader的名字是可以重复的，重复后，以后来的shader为主。

3.指令详细：

=>surfaceFunction，没什么好说，肯定是函数名了。

=>lightModel是所采用的光照模型。可以自己写也可使用内置如Lambert和BlinnPhong.

=>optionalparams:可选参数，一堆可选包括透明度，顶点与颜色函数，投射贴花shader等等。具体用到可以细选。

另外这里有一个功能。在Surface shader的CGPROGRAM里添加 #pragma debug [内容]。可在编译结果的文件中看到。写多少都行。但尝试在其他种shader下不行。

三、实例学习：

1.Simple:

第一个。行行来：
第一行：写个名字。这也有讲究的。斜线左边为其父类的组，无则新增，有则累加，右边才是真正的名字。注意，这些shader名不像C#脚本，无需文件名与shader名相同。

第二、三行：接下来就在SubShader里添加内容，SubShader是可以有多个的。然后上一个Tags，此处只用到RenderType这种，另 外的还有Rendering order, ForceNoShadowCasting..等。这些本阶段暂不研究。

第四行：上一条指令，里面指定响应方法为surf且采用Lambert的光照模型。这个必须有的。

第五行：这个结构体，记得名字不能改，只能为Input。里面一个四元素的颜色值（RGBA）。

第七到第九行：第一个参数，纯输入的上述结构体参数。第 二个参数，inout标识，意思是可为输入参数也可为输出参数。Albedo根据前面介绍到的，是一个rgb的值，如果给一个1，其实就是 float3(1,1,1)，就是反射出来的颜色为白色，如果为100，则是加强反射强度，并不会改变其颜色。为0或为负数时道理类似。

最后Fallback，后方的是自带的shader，可以用自己自定义好的。这里这句的意思是，如果所有subshader在当前显卡都不支持，则默认返回自带的Diffuse。





2.Texture:

这个例子呢。其实只是第一个的基础上添加了一个2D属性显示名为Texture。以下解析：

第一个黑体：添加一个名叫_MainTex的属性，指定其为2D类型且显示为Texture。"white"那块可不是乱写的，是unity的 build-in的一些textures的名称，而不是单纯颜色名字。意思是当默认时显示为名叫white的材质。如改成red（即使用名叫red的材 质，如果有其他也可叫其名字），则效果如下：





第二个黑体：uv_MainTex。这其中大有玄机，uv开头指代后方材质的uv值，因此uv不变，后面的可以根据开头起的名字动态换。还有哦，这种类似于_MainTex的命名方式是CG推荐的，其实不用下划线也OK的。

第三个黑体：这个Sampler2D，可以理解为引用一个2D Texture。因为下面的Tex2D函数需要这种类型。所以说这个后面的名字要与Properties里的对应一样才行。

第四个黑体：Tex2D，这玩意就是根据对应材质上所有的点找指定 2DSample上的Texture信息，此处需要其RGB信息，就打出来赋给了其反射值。所以对有材质图的情况下，要显示出图，还是要相应的反射其原图的rgb值。





3.Normal mapping

这个例子里加了个凹凸贴图，可实现类似一些很漂亮的凹凸效果。
第一个黑体：加一个2D类型的材质，默认为bump。（即带有凹凸效果的）。

第二个黑体：上一个采集器。采集下来上面的材质。

第三个黑体：有讲究，这个UnpackNormal是unity自带的标准解压法线用的，所谓解压，我暂时学习到的只是将法线的区间进行变换。由于 tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap)取出的是带压缩的[0,1]之间，需要转成[-1,1]。这个函数会针对移动平台或OPENGL ES平台采用 RGB法线贴图，其他采用DXT5nm贴图。为此也可自己写。也在网上找到了一些资料，如下参考：





4.Rim Lighting

新增的一些东西，我都用数字标注了。以下进行详细解读：

第一处（//1）:上一个Color类型的显示为Rim Color的变量。颜色值RGBA对应0.26,0.19,0.16,0.0

第二处（//2）:这个Range类型的变量，结果还是一个float。只是这个float是在这个range之内。为什么这么定义呢。如果超多，或过小，则使用range内指明的值代替。

第三处（//3）:viewDir 意为World Space View Direction。就是当前坐标的视角方向。这里有个从相关网上找的图：链接：http://game.ceeger.com/forum/read.php?tid=11367





第四、五处（//4，//5）:定义两个变量对应properties里的值，取出使用。

第 六、七处：最里层是Normalize函数，用于获取到的viewDir坐标转成一个单位向量且方向不变，外面再与点的法线做点积。最外层再用 saturate算出一[0,1]之间的最靠近（最小值但大于所指的值）的值。这样算出一个rim边界。为什么这么做。原理以下解释：

=>看图。



=>这里o.Normal就是单位向量。外加Normalize了viewDir。因此求得的点积就是夹角的cos值。

=>因为cos值越大，夹角越小，所以，这时取反来。这样，夹角越大，所反射上的颜色就越多。于是就得到的两边发光的效果。哈哈这样明了吧。

这 里介绍一下这个half。CG里还有类似的float和fixed。half是一种低精度的float，但有时也会被选择成与float一样的精度。 fragment是一定会支持fixed类型，同时也会有可能将其精度设成与float一样，这个比较复杂，后面篇章学到fragment时再深入探讨。

以下为与3的对比，大家一下就知道谁是用了rim color的吧。对！下面那个盒子就是用些shader的效果。





5.Detail Texture

这个最好理解了。
前面三个一样。上一个2D Texture。

最后一个黑体：在原先的反射基础上，在加一层，Texture的反射。

就是这样啦。最后上几个截图，大家一定就明白。









6.Detail Texture in Screen Space

这个比较有趣，是从上个例子的基础上将第二层叠加上的2D Texture根据当前屏幕的UV进行叠加，而不是根据自身的UV。这样带有含此shader材质的物体的贴图就会跟着移动到的位置而变换图片。
这里只需要说三点：

1.关于screenPos:screenPos是一个三维点，但是用齐次坐标的形式表示出来就是（x,y,z,w），根据齐次坐标的性质。 （x,y,z,w）的齐次坐标对应三维点（x/w,y/w,z/w）。因此把w值除掉可以看来是一种Normalize的作法，这样就取出了实际的屏幕 xy的UV值。

2.对screenUV进行倍剩：此处剩float2（8，6）意为将原获取到屏幕尺寸进行拉大的倍数。即x轴拉大8倍，y轴拉大6倍。

3.如何就平铺了刚好一行8个，一列6个了呢？ 原因我觉得是在于2d Texture自己是按Normalize后进行铺的，因此在//2(刚转完标准的)screenPos后，将其剩多少即便将原图铺多少张。

OK。明了。其实这个东西可以拿来做放大镜的应用。上图：





7. Cubemap reflection

这两段都是加一个cubemap的反射。第二段相比之下是在有normal反射的基础上加的。Cubemap这东西，可设置几种面的不能渲染图，这方面可用于做天空盒。因为这样可以从各个角度看过去以显示不同的渲染效果。
以下说明：

1. worldRefl:即为世界空间的反射向量。

2. texCUBE:将反射向量一个个的往_Cube反射盒上找出然后做为Emission反射出来。

3. 第二个例子只是将其用在Normal反射后，这样一定要多添加一个INTERNAL_DATA的属性，另外也需用到WorldReflectionVectore方法取其利用Normal后的反射向量值。

类似于的效果，可见官网中的。我这也有一个，有点像打了光的样子。





8.Slices via World Space Position

在看完这段后，我自己另外又加一段，以作对比：

第二个黑体：frac是取小数的函数，如1.23 取出来是 0.23。clip函数用于清Pixel的，负值情况下才进行清pixel。且越小，即绝对值越大则清越多。
这里注意那个* 5，仔细一想，如果frac出来的值越大，-0.5值就越大，绝对值就越小，因此这样清掉的pixel越少，所以就可以间接的增加分段的次数。那为什么要+IN.worldPos.z*0.1呢，主要原因就是空开的断添加一个倾斜角度，可以用空间思想想下。
我的那段，就是将要clip的坐标换掉，换成屏幕的。这样你移动物体时，clip掉的部分会变化。

最后，上下效果图：





9.Normal Extrusion with Vertex Modifier

这是个自定义vertex的例子，效果可以实现点坐标的放大缩小，以形成肥仔与瘦棍的效果，哈哈。
第一个黑体（//1）:添加一个可选参数为vertex，主要是为了给其添加一个函数vert。

第二个黑体（//2）:这个_Amount对应开头的那个属性_Amount。具体是个Range值，可在shader界面外通过滑动条改变这个值。默认为0.5。

第三个黑体（//3）:这里除了之前学过的东西外，多了个appdata_full的结构体。这里面的结构（载自UNITY官方论坛）如下：

第四个黑体（//4）:就是像为个点，换当前法线向量的指定倍数进行扩展。
上效果：



10.Custom data computed per-vertex

这个例子是用来渲染颜色的。我的分析如下:

第一处（//1）:取一个颜色值，float3，对应RGB。

第二处（//2）:较前个例子，多一个Input类型的参数，只为输出使用。

第三处（//3）:UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(type,name)这个函数大有用处，主要是将叫[name]的变量请空改成type类型。以下是从HLSLSupport.cginc里找到的定义：

第四处（//4）:RGB颜色值当然只能为正值，所以使用绝对值去取normal的值。

第五处（//5）:在原先已经渲染上texture颜色值的基础上，加上这层自定义的颜色值。

上效果：



11.Final Color Modifier

这个例子是跟上面例子的对比，前种使用普通反射进行叠加上颜色，此处则是直接使用finalcolor对其颜色进行处理，这种可以处理整个模型的固定颜色值的渲染。以下做简要的分析：

1.finalcolor:mycolor :这个是另一种可选参数，就是用户自定义的颜色处理函数。函数名为mycolor.

2.mycolor函数：注意到函数除了有surf的两个参数外，还多了个颜色参数，这个颜色参数就是当前模型上颜色对象，对他的更改将直接影响全部来自于lightmap,light probe和一些相关资源的颜色值。

效果：



12.Custom Fog with Final Color Modifier

这个很高难度，里面还有些之前没用到过的函数，以下是我的理解：

第一处（//1）:mul是矩阵相乘的函数。UNITY_MATRIX_MVP是model、view、projection三个矩阵相乘出来的4x4的 矩阵。v.vertex是一个float4的变量，可理解成4x1的矩阵，两者相乘，则得出一个float4，这个值就是视角窗口的坐标值，这个坐标就跟 camera的关联了。

第二处（//2）:这个fog的浮点值就是其强度，范围一般在-1到1之间，说一般，只是我个人建议的值，设成其他也行，只是没多大意义。越负就越黑。再 看后面这个点积，这个仔细一想，不难理解，其实就是为了达到一种扩散的效果，因此两个一样的向量相乘，其实就是直接对坐标做平方扩展，这样fog就更有雾 的感觉。

第三处（//3）:这个宏不好找，就看官方对这个例子的解释为正向渲染时的额外通道。字面不好理解，多多尝试过可以有所发现，其实就是在雾气渐渐消失处那 块额外的渲染区。可以将fogColor = 0; 改成fogColor = fixed3(1,0,0)。外面雾气颜色再选成白色，效果则如下：



雾气改成绿色后：效果如下：



第四处（//4）:lerp函数是个有趣的函数。第一个参数是左边界，第二个参数是右边界，第三个相当于一个值介于0到1之间的游标。游标为0，则为左边 界，为1为右边界，取中间值则是以此类推，取插值。其实也可以把它看成百分比。这里的fog则可以看来那个游标，值越大，则越接近fogColor，越小 越接近原色。

原shader所出来的效果再来张：





13.Linear Fog

这个官方只贴出了代码，无任何解释。网上也未曾看到有人解答，在此为大家分析下。其实这个与上面那个例子相比之下，采用的fog的源头变了，这里是获取rendersettings里的fog来设置Fog的颜色、强度与起点终点等。以下进行解析：

第 一处（//1）:LOD 200，200是个代号，设成此的目的就是限制shader级别只到200为止，高过200的不采用，即使显卡支持，也不会使用高过200的shader 级别的渲染方式。官方的解释：http://docs.unity3d.com/Documentation/Components/SL- ShaderLOD.html

第二处（//2）:此处标记uniform的意图就是让Cg可以使用此变量。因此这三个uniform变量均来自于RenderSetting中。你可以预先设置好三个值。

第三处（//3）:length函数用于取一个向量的长度，如果是float3则采取如下形式：

就是点积取平方根。
第四处（//4）:计算fog起终点间的反差。

第五处（//5）:将4中算得的diff置反过来。

第六处（//6）:则将算出来的离视角的距离与0到1之间进行比对，小于0则为0，大于1则为1，范围之内就是其原值，总的来说，利用clamp函数防止其出界。

分析下原理：咱们先将rendersetting里的颜色设成红色，fog start 设成0， fog end设成50。

这时算出的diff = 50, invdiff = 1/50。将原fog的计算稍做简化，得出如下结果：

fog = clamp((1 - pos/50) , 0 , 1)；这个式子很是明了，pos是距离，即距离越远，clamp里值越小，根据后面这句：

我们就可以判断出其越靠近fogColor,雾气就会越重。

最后上个效果图：这里选的是Linear的fog。





到此，所有的surface shader的官方例子都详细的介绍完了。哎，开源中国对cg无什么代码显示支持，大家要代码看不清，可以直接去官网上去面看。
http://docs.unity3d.com/Documentation/Components/SL-SurfaceShaderExamples.html
这里送上本文的项目工程：http://pan.baidu.com/s/1xindN

四、学习技巧

这里是我个人的一些观点：

1.遇问题先找官网，找官网论坛，找官网文档。

2.学会从软件根目录下的CGIncludes文件夹下找相关的函数宏定义。

3.积累相关线性代数与计算机图形学的知识，学习会更轻松些。