Chapter17 表面着色器——Shader入门精要学习

一、编译指令

• 作用：指明该表面着色器的 表面函数 和 光照函数，并设置一些可选参数

#pragma surface surfaceFunction lightMode [optionalparams]：#pragma surface 用于指明该编译指令是用于定义表面着色器的，后面需要指明表面函数（surfaceFunction）和光照模型（ lightMode），以及一些可选的参数

1.表面函数

surfaceFunction 用于定义对象的表面属性（反射率、光滑度、透明度等），通常是名为 surf 的函数（名字可以任意），格式是固定的

void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o)
void surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
void surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandardSpecular o)

• 输入结构体 InputIN 来设置表面属性，并存储在结构体 SurfaceOutput、SurfaceOutputStandard、SurfaceOutputStandardSpecular 中（都是Unity内置结构体），再传递给光照函数计算光照结果

2.光照函数

使用表面函数中设置的各种表面属性，来应用某些光照模型。Unity内置了基于物理的光照模型函数 Standard 和 StandardSpecular（ UnityPBSLighting.cginc），以及简单的非基于物理的光照模型函数 Lambert 和 Blinn-Phong（Lighting.cginc）

• 定义自己的光照函数

half4 Lighting<NAME> (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten);
half4 Lighting<NAME> (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten);

3.其他可选参数

• 自定义的修改函数 ：顶点修改函数（vertex:VertexFunction） 和 最后颜色修改函数（finalColor:ColorFunction）
  • 顶点修改函数：自定义顶点属性（顶点颜色传递给表面函数、修改顶点位置、实现顶点动画等）
  • 最后颜色修改函数：在颜色绘制到屏幕前，最后一次修改颜色值（实现自定义雾效等）
• 阴影：
  • addshadow：会为表面着色器生成一个阴影投射的Pass
  • fullforwardshadow：可以在前向渲染中支持所有光源类型的阴影
  • noshadow：禁用阴影
• 透明度测试和透明度混合：alphatest 和 alpha
• 光照：控制光照对物体的影响
  • noambient：不应用任何环境光照或光照探针
  • novertexlights不应用任何逐顶点光照
  • noforwardadd：去掉前向渲染中的额外Pass，只支持一个逐像素的平行光，其他光源会逐顶点或SH方法来计算
  • nolightmap、nofog等
• 控制代码生成：可以控制只使用前向或者延迟（Unity会为表面着色器生成前向渲染路径和延迟渲染路径用的Pass）exclude_path:deferred、exclude_path:forward和exclude_path:prepass

二、两个结构体

1.Input 结构体：数据来源

还支持自定义变量，采样坐标必须以uv为前缀，比如 uv_MainTex

2.SurfaceOutput

SurfaceOutput、SurfaceOutputStandard、SurfaceOutputStandardSpecular 会作为表面函数的输出，光照函数的输入来进行光照计算

• SurfaceSurfaceOutput

struct SurfaceOutput{fixed3 Albedo;fixed3 Normal;fixed3 Emission;half Specular;fixed Gloss;fixed Alpha;
};

• SurfaceOutputStandard、SurfaceOutputStandardSpecular：用于基于物理的光照模型

struct SurfaceOutputStandard{fixed3 Albedo;fixed3 Normal; //tangent space normal half3 Emission;half Metallic; //0=non-metal,1=metalhalf Smoothness; //0=rough,1=smoothhalf Occlusion;fixed Alpha;
};
struct SurfaceOutputStandardSpecular{fixed3 Albedo;fixed3 Specular;fixed3 Normal; //tangent space normal half3 Emission;half Smoothness; //0=rough,1=smoothhalf Occlusion;fixed Alpha;
};

三、Unity背后做了什么

Unity背后会为表面着色器生成真正的一个包含多个Pass（针对不同渲染路径的）的顶点/片元着色器。会为前向渲染路径生成LightMode为ForwardBase和ForwardAdd的Pass；为延迟渲染路径生成LightMode为Deferred的Pass；为了给光照映射和动态全局光照提取表面信息，Unity会生成LightMode为Meta的Pass

• Unity对ForwardBase的Pass的自动生成过程如下：
  
• 1.Unity会分析代码，据此生成顶点着色器的输出——v2f_surf结构体。Unity会分析我们在自定义函数中使用的变量，如果需要，就会在v2f_surf中生成相应的变量。有时在Input中定义了某些变量，但后面并没有使用时，v2f_surf不会生成
• 2.生成顶点着色器
• 3.生成片元着色器：使用v2f_surf来填充Input

四、表面着色器的缺点

• 在表面着色器上完成的，都可以在顶点/片元着色器中重现，但反之不成立
• 性能较差：失去了对各种优化和各种特效实现的控制
• 无法完成自定义的渲染效果：玻璃等