Unity Shader - Writing Surface Shaders 编写表面着色器

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原文：Writing Surface Shaders
版本：2019.1

Writing Surface Shaders

编写表面着色器

编写与光照有交互的shader是复杂的。有许多不同的光源类型，不同的阴影选项，不同的rendering paths（渲染路径）（forward（正向渲染）和deferred rendering（延迟渲染）），以至于这种shader是很复杂的。

Unity中的Surface Shaders（表面着色器）是一种代码生成方法，用此方式编写光照着色器比使用相对低级的vertex/pixel shader programs（顶点/像素着色器程序）容易得多。注意，Surface Shaders并没有自定义语言，魔术或忍术的神奇之术；它仅仅是生成一些你得手写的代码。

一些例子，可看看Surface Shader Examples（表面着色器的例子）和Surface Shader Custom Lighting Examples（表面着色器自定义器光照例子）。

How it works

如何工作的

您定义了一个"surface function"（surface函数），它接受您需要的任何uv或数据作为输入，并填充输出结构SurfaceOutput。SurfaceOutput是surface的基础描述数据（有Albedo颜色，法线，自发光，高光，等等）。你可以使用HLSL编写这些代码。

Surface Shader编译器会根据你哪些所输入的，哪些所填充到输出的，等等来生成精准需要的vertex&pixel shaders，以及生成需要的forward和deferred rendering需要的pass。

Surface shader的标准Output数据结构如下：

struct SurfaceOutput
{
    fixed3 Albedo;  // diffuse color - 漫反射颜色
    fixed3 Normal;  // tangent space normal, if written - 切线空间的法线
    fixed3 Emission; // 自发光颜色
    half Specular;  // specular power in 0..1 range - 高光的强度，数值范围：0~1
    fixed Gloss;    // specular intensity - 也是控制高光的数值
    fixed Alpha;    // alpha for transparencies - 透明度的alpha值
};

在Unity Surface shaders中你可以使用PBR。内置的Standard和StandardSpecular的光照模型（查看下面）分别使用了不一样的输出数据结构：

struct SurfaceOutputStandard
{
    fixed3 Albedo;      // base (diffuse or specular) color - 基础色（漫反射或高光色）
    fixed3 Normal;      // tangent space normal, if written - 切线空间的法线
    half3 Emission;		// 自发光
    half Metallic;      // 0=non-metal, 1=metal - 金属性，0：完全没有，1：高金属性
    half Smoothness;    // 0=rough, 1=smooth - 光滑度，0：粗糙的，1：光滑的
    half Occlusion;     // occlusion (default 1) - AO（Ambient Occlusion） 的基础系数
    fixed Alpha;        // alpha for transparencies - 透明度
};
struct SurfaceOutputStandardSpecular
{
    fixed3 Albedo;      // diffuse color - 漫反射颜色
    fixed3 Specular;    // specular color - 高光色
    fixed3 Normal;      // tangent space normal, if written - 切线空间的法线
    half3 Emission;		// 自发光
    half Smoothness;    // 0=rough, 1=smooth - 光滑度，0：粗糙的，1：光滑的
    half Occlusion;     // occlusion (default 1) - AO（Ambient Occlusion） 的基础系数
    fixed Alpha;        // alpha for transparencies - 透明度
};

Samples

例子

查看Surface Shader Examples, Surface Shader Custom Lighting Examples和Surface Shader Tessellation页面。

Surface Shader compile directives

表面着色器的编译指令

Surface shader代码放在CGPROGRAM…ENDCG块之间，和其他的Shader一样。但不同的有：

• 必须放在SubShader块中，不是Pass块中。Surface Shader将会被编译成多个pass。
• 使用**#pragma surface …**指令来指定surface shader的surface function。

#pragma surface指令：

#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]

Required parameters

必要的参数

• surfaceFunction - 有surface shader代码的cg函数。函数形式：void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o)，Input structure需要你定义。Input应该宝行一些纹理坐标和其他一些Surface需要的变量。
• lightModel - 光照模型。内置基于物理的Standard和StandardSpecular，以及简单的基于非物理的Lambert（漫反射）和BlinnPhong（高光）。查阅Custom Lighting Models了解如何编写拥有你自己的光照模型。
  • Standard 光照模型使用SurfaceOutputStandard的输出结构体，与Standard（Metallic工作流模型）Shader的一样。
  • StandardSpecular 光照模型使用SurfaceOutputStandardSpecular输出结构体，与Standard （Specular setup工作流模型）Shader的一样。
  • Lambert和BlinnPhong 光照模型不是基于物理的（这是Unity 4.x版本的模型），但这些shader可以在低端硬件中快速的渲染。

Optional parameters

可选参数

Transparency and alpha testing

Transparency and alpha testing（透明的与alpha测试的） 有alpha和alphatest指令控制。透明效果一种两种：传统的alpha混合（用于淡出的对象）或是像物理的"premultiplied blending"（预乘混合）（允许半透明保留适当的高光反射）。启用半透明将会让surface shader生成的代码包含blending指令；但请用alpha cutout（alpha剔除）将会在pixel shader生成处理fragment discard（片段禁用/剔除）的代码。剔除alpha是需要指定数值的：

• alpha或alpha:auto - 将得到简单光照功能的fade-transparency淡化透明（与alpha:fade一样），以及基于物理光照功能的premultiplied transparency预乘透明（与alpha:premul一样）
• alpha:blend - 启用alpha混合。
• alpha:fade - 启用传统的 fade-transparency淡化透明。
• alphatest:VeriableName（alphatest:变量名） - 启用alpha cutout transparency（alpha剔除透明）。剔除变量是用float数值。您可能还想使用addshadow指令来生成正确的阴影投影器的pass。
• keepalpha - 用于默认不透明的surface shader。 无论输出结构体的alpha值是什么，或者光照函数返回什么，始终写入alpha通道值为1.0（白色）。
• decal:add - 叠加性的decal（贴花）shader（如：地形shader的AddPass）。意思就一个对象的表面在另一个对象表面上使用了additive混合。查阅Surface Shader Examples
• decal:blend - 半透明的贴花shader。意思就一个对象的表面在另一个对象表面上使用了alpha混合。查阅Surface Shader Examples

Custom modifier functions

Custom modifier functions（自定义的修改器函数） 可用于修改或计算传入的顶点数据，或修改fragment片段最终计算的颜色。

• vertex:VertexFunction - 自定义顶点修改函数。该函数在vertex shader生成是就调用，能修改或计算每个顶点的数据。查阅Surface Shader Examples。
• finalcolor:ColorFunction - 自定义最终颜色修改函数。查阅Surface Shader Examples。
• finalgbuff:ColorFunction - 自定义延迟渲染路径中修改gbuffer内容。
• finalprepass:ColorFunction - 自定义prepass基础路径。

Shadows and Tesselation

Shadows and Tessellation（阴影与曲面细化） - 该额外的指令能用于控制阴影也曲面细化如何处理。

• addshadow - 生成一个shadow caster pass（用于投影或是生成深度图的一个pass）。通常与自定义顶点修改功能一起使用，以便阴影的透射，或是处理一些程序化顶点动画。通常shader不需要指定一个投影用的pass来处理，因为它们通常使用fallback中自带的shadow caster pass来处理。
• fullforwardshadows - 在正向渲染路径中支持所有的光影类型。正向渲染中shader默认只支持来自一个方向光的阴影。如果你需要在正向渲染中的点光源或是聚灯光源的阴影功能，那么使用这个指令。
• tessellate:TessFunction - 使用DX11 GPU的曲面细化功能；这个函数计算tesselation因子。查阅Surface Shader Tessellation了解更多详情。

Code generation options

Code generation options（代码生成选项） - 默认的Surface shader生成的代码都尽可能的处理lighting（光照）/shadowing（阴影）/lightmap（光源映射）场景。但某些情况你是不需要部分功能的，这就可以调整生成代码选项来跳过不需要的功能。减少功能还可以让shader变得更小，载入更快。

• exclude_path:deferred，exclude_path:forward，exclude_path:prepass - 不生成对应渲染路径的pass（分别是Deferred Shading-延迟渲染，Forward-正向渲染和Legacy Deferred-旧版的延迟渲染）。
• noshadow - 禁用掉所有接收阴影的shader代码。
• noambient - 不应用ambient lighting（环境光）或light probes（光探测器）。
• nodynlightmap - 禁用实时dynamic global illumination（动态全局光照）的支持。
• nodirlightmap - 禁用方向光的lightmaps（lightmaps：烘焙出来的静态光源映射）支持。
• nofog - 禁用内置的雾化处理。
• nometa - 不生成"meta"pass（超级pass）（用于提取表面信息的光照映射和动态全局光照的pass）
• noforwardadd - 禁用Forward（正向渲染）的叠加pass。这使得shader支持一个完整的方向光功能，与所有其他每个顶点/SH的光照计算。使shader更小。
• nolppv - 禁用 Light Probe Proxy Volume （LPPV：光探测器代理体积，也有个组件可以了解）。
• noshadowmask - 禁用Shadowmask（Shadowmask和Distance Shadowmask）。

Miscellaneous options

其他选项

• softvegetation - 让surface shader仅在Soft Vegetation 打开时才被渲染。
• interpolateview - 在顶点着色器中计算视图方向并进行插值；而不是在像素着色器中计算。这可以使像素着色更快。
• halfasview - 将半方向向量传递到光照函数而不是视图方向。每个顶点将计算并归一化半方向。这让性能快，但并不完全正确。
• approxview - Unity 5.0或之后的版本都删除了。改用interpolateview替换。
• dualforward - 在正向渲染路径中使用dual lightmaps（两个lightmap）。
• deithercrossfade - 可让Surface Shader支持抖动效果。您可以将此着色器应用于GameObject，用于该对象使用LOD Group组件的对象淡入淡出时使用。

要查看上面使用不同选项的不同之处，可以在Shadaer Inspector中使用"Show Generated Code"按钮查看帮助。

Surface Shader input structure

Surface Shader 输入数据的结构体

输入数据结构体Input通常都会有一些纹理坐标。纹理坐标必须命名开头为"uv"，后跟纹理名称(或者以"uv2"开始使用第二个纹理坐标)。（如：我有的Property _MainTex纹理，那么Input 中与此Property的名对应使用，就得命名uv名称为：uv_MainTex）

Input结构体可以放的数值：

• float3 viewDir - 包含视角方向，用于计算视差效果，边缘光效，等。
• float4加上COLOR语义 - 包含每个顶点的颜色。
• float4 screenPos - 包含屏幕空间坐标。注意这对应GrabPass中不太适用；如果你如要自定义UV，你需要使用ComputeGrabScreenPos函数。
• float3 worldPos - 包含世界空间坐标。
• float3 worldRefl - 如果没有写入o.Normal，worldRefl则包含世界坐标的反射向量。例如，参见Reflect-Diffuse（反射-漫反射）着色器例子。
• float3 worldNormal - 如果没有写入o.Normal，worldNormal则包含世界坐标法线向量。
• float3 worldRefl; INTERNAL_DATA - 如果写入了o.Normal则包含反射向量。获取反射向量基于每个像素的法线贴图，使用WorldReflectionVector(IN, o.Norrmal)。查看Reflect-Bumped（凹凸反射）着色器例子。
• float3 worldNormal; INTERNAL_DATA - 如果o.Normal写入了，则包含世界空间的法线向量。获取法线向量基于每个像素的法线贴图，使用WorldNormalVector(IN, o.Normal)。

Surface Shaders and DirectX 11 HLSL syntax

Surface Shader与DirectX 11 HLSL 的语法

当前Surface Shader的一部分编译管线没有遵守DirectX 11-specific HLSL的语法，所以，如果你使用了HLSL的一些功能特性，如：StructuredBuffers，RWTextures等等 非DX9语法，您不得不将其封装到只有DX1的预处理器宏中。

查看 Platform Specific Differences和Shading Language页面了解更多详情。