Unity基于ShaderLab实现光照系统的代码怎么写

魁首哥

作者

Unity基于ShaderLab实现光照系统的代码怎么写

今天就跟大家聊聊有关Unity基于ShaderLab实现光照系统的代码怎么写，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。

一、着色器

1.顶点片元着色器

分顶点着色器和片元着色器，对应渲染管线的顶点变换和片元着色阶段；

最简单的顶点片元着色器：

Shader"MyShader/VertexFragmentShader"{Properties{_MainColor("MainColor",Color)=(1,1,1,1)}SubShader{Tags{"RenderType"="Opaque"}Pass{CGPROGRAM#pragmavertexvert#pragmafragmentfragfloat4_MainColor;float4vert(float4v:POSITION):SV_POSITION{returnUnityObjectToClipPos(v);}fixed4frag():SV_Target{return_MainColor;}ENDCG}}}

2.表面着色器

将顶点和片元着色器再进行一层封装；

通过表面函数控制反射率，光滑度，透明度等；

通过光照函数选择要使用的光照模型；

表面着色器提供了便利，但是也降低了自由度；

表面着色器能实现的，顶点片元着色器都可以实现，但顶点片元着色器的可操作性更高，性能也更好；

简单的表面着色器：

Shader"MyShader/SurfaceShader"{SubShader{Tags{"RenderType"="Opaque"}CGPROGRAM//表面着色器,使用Lambert光照#pragmasurfacesurfLambertstructInput{float4color:COLOR;};voidsurf(InputIN,inoutSurfaceOutputo){o.Albedo=1;}ENDCG}Fallback"Diffuse"}

3.固定函数着色器

已基本弃用不分析了；

二、光照模型

1.逐顶点光照(Gourand Shading)

在顶点着色器计算光照；顶点数目比片元少，计算量也少，通过线性插值得到每个像素的光照；

所以非线性光照计算时会出错——高光（后面会写）；

v2fvert(a2vv){v2fo;//顶点变换到裁剪空间o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//环境光fixed3ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;//世界空间下法线fixed3worldNormal=normalize(mul(v.normal,unity_WorldToObject));//世界空间下光照方向fixed3worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//点成光照和法线得出漫反射方向，satruate取区间0-1;fixed3diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*saturate(dot(worldNormal,worldLight));//环境光+漫反射o.color=ambient+diffuse;returno;}

2.逐片元光照(Phong Shading)

在片元着色器计算光照；根据每个片元的法线计算光照；效果好计算量大，也叫phong插值；

v2fvert(a2vv){v2fo;//顶点变换到裁剪空间o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//传递世界坐标法线到片元着色器o.worldNormal=mul(v.normal,unity_WorldToObject);returno;}fixed4frag(v2fv):SV_Target{//环境光fixed3ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;//归一化世界法线fixed3worldNormal=normalize(v.worldNormal);//归一化世界空间下光照方向fixed3worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//求漫反射fixed3diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*saturate(dot(worldNormal,worldLight));//相加环境光和漫反射fixed3color=ambient+diffuse;returnfixed4(color,1.0);}

这也是Lambert光照模型的算法；

3.HalfLambert 光照

v社做半条命使用一个标准，计算漫反射时候结果+0,5；这样对暗部有很大的优化；

//HalfLambertParmafixedhalfLambert=dot(worldNormal,worldLight)*0.5+0.5;//使用halfLambert计算漫反射fixed3diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*halfLambert;

4.逐顶点高光

上面说的逐顶点计算光照对非线性光照会有错误；

高光由反射导致，和观察方向、光线方向有关；具体关系参考图形学基础；

在顶点着色器函数中添加：

//根据法线和光线方向用reflect方法计算反射方向fixed3reflectDir=normalize(reflect(-worldLight,worldNormal));//计算观察方向，摄像机位置-顶点位置（要求同在世界坐标系下）fixed3viewDir=normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz-mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz);//Phong光照模型中高光计算公式，_Specular颜色，_Gloss粗糙度，_LightColor0系统参数光照颜色fixed3specular=_LightColor0.rgb*_Specular.rgb*pow(saturate(dot(reflectDir,viewDir)),_Gloss);o.color=ambient+diffuse+specular;

5.逐像素高光

将逐顶点高光代码发放在片元着色器中执行；

6.Bline-Phong光照模型

上面逐顶点和逐像素高光都是使用Phong光照模型；

求高光的时候使用reflect函数计算反射向量，计算比较大；

Bline-Phong使用（光线方向+观察方向）来替代反射向量；

//世界光线方向和观察方向中间方向;fixed3halfDir=normalize(worldLight+viewDir);//使用halfDir来计算高光fixed3specular=_LightColor0.rgb*_Specular.rgb*pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)),_Gloss);fixed3color=ambient+diffuse+specular;

三、纹理贴图

1.单张纹理

使用纹理取样替代纯色，在片元着色器中对纹理贴图取样，修改像素颜色；

_MainTexture_ST 控制贴图的缩放和偏移（Scale,Translate）;

v2fvert(a2vv){//uv传递给片元着色器,可以使用宏命令TRANSFORM_TEXo.uv=v.texcoord.xy*_MainTexture_ST.xy+_MainTexture_ST.zw;//o.uv=TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_Maintexture);}fixed4farg(v2fv):SV_Target{//纹理取样,表面颜色-纹素fixed3albedo=tex2D(_MainTexture,v.uv).rgb*_Color.rgb;//环境光*表面颜色fixed3ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz*albedo;fixedhalfLambert=dot(worldNormal,worldLight)*0.5+0.5;//漫反射*表面颜色fixed3diffuse=_LightColor0.rgb*albedo.rgb*halfLambert;}

2.法线纹理

法线计算两种方式：

将光线和观察向量变换到切线空间计算；

将切线空间下法线变换到世界空间计算；

切线空间计算由于矩阵变换在顶点着色器，计算少效率高；

由于认知，或者有其他需求我们也会在世界空间计算法线；

- 法线纹理切线空间计算

v2fvert(a2vv){v2fo;o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv.xy=v.texcoord.xy*_MainTexture_ST.xy+_MainTexture_ST.zw;//o.uv=TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_Maintexture);o.uv.zw=TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_BumpMap);//宏定义,求世界空间——切线空间变换矩阵rotationTANGENT_SPACE_ROTATION;o.lightDir=mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex)).xyz;o.viewDir=mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex)).xyz;returno;}fixed4frag(v2fv):SV_Target{//切线空间-光线方向fixed3tangentLightDir=normalize(v.lightDir);//切线空间-观察方向fixed3tangentViewDir=normalize(v.viewDir);//法线贴图格式为NormalMap,使用UnpackNormal解压,取样得到切线空间下法线fixed3tangentNormal=UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,v.uv.zw));//法线缩放tangentNormal.xy*=_BumpScale;//法线贴图压缩方法,z值可以计算得出,勾股定理,以下是简化后公式tangentNormal.z=sqrt(1.0-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));...//漫反射高光计算都使用tangentNormal}

- 法线纹理世界空间计算

v2fvert(a2vv){v2fo;o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//减少寄存器使用,xy记录主纹理uv,zw记录法线uvo.uv.xy=v.texcoord.xy*_MainTexture_ST.xy+_MainTexture_ST.zw;o.uv.zw=TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_BumpMap);//求世界空间下法线、切线、副切线float3worldPos=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;fixed3worldNormal=UnityObjectToWorldNormal(v.normal);fixed3worldTangent=UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);fixed3worldBinnormal=cross(worldNormal,worldTangent)*v.tangent.w;//法线、切线、副切线构成切线空间变换矩阵,w值trick利用存储世界坐标系顶点坐标o.Ttow0=float4(worldTangent.x,worldBinnormal.x,worldNormal.x,worldPos.x);o.Ttow1=float4(worldTangent.y,worldBinnormal.y,worldNormal.y,worldPos.y);o.Ttow2=float4(worldTangent.z,worldBinnormal.z,worldNormal.z,worldPos.z);returno;}fixed4frag(v2fv):SV_Target{...//法线贴图格式为NormalMap,使用UnpackNormal解压,取样得到切线空间法线fixed3tangentNormal=UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,v.uv.zw));//法线缩放tangentNormal.xy*=_BumpScale;//法线贴图压缩方法,z值可以计算得出,勾股定理,以下是简化后公式tangentNormal.z=sqrt(1.0-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));//矩阵变换求出世界空间法线tangentNormal=normalize(half3(dot(v.Ttow0.xyz,tangentNormal),dot(v.Ttow1.xyz,tangentNormal),dot(v.Ttow2.xyz,tangentNormal)));...//漫反射高光计算都使用tangentNormal}

3.渐变纹理

以上漫反射颜色都是光线颜色，或者光线颜色混合表面纹素颜色；

有时候漫反射的颜色要根据反射角大小有不同的变化，比如卡通渲染；

这就需要使用渐变纹理RampTexture；

//顶点着色器转化RampTex的uvfixed4frag(v2fi):SV_Target{fixedhalfLambert=0.5*dot(worldNormal,worldLightDir)+0.5;//根据halfLambert反射方向取样RampTex纹素fixed3diffuseColor=tex2D(_RampTex,fixed2(halfLambert,halfLambert)).rgb*_Color.rgb;fixed3diffuse=_LightColor0.rgb*diffuseColor;}

三种不同的Ramp纹理：

4.遮罩纹理

有些部位高光效果太强，人为的希望有些部位暗一些等，可以用到遮罩纹理Mask；

片元着色器中添加：

//反射方向fixed3halfDir=normalize(tangentLightDir+tangentViewDir);//uv取样高光遮罩纹理*高光范围fixed3specularMask=tex2D(_SpecularMask,i.uv).r*_SpecularScale;//高光结果混合遮罩纹理fixed3specular=_LightColor0.rgb*_Specular.rgb*pow(max(0,dot(tangentNormal,halfDir)),_Gloss)*specularMask;

效果对比：

四、透明物体

1.透明测试

AlphaTest只决定画不画，不做颜色混合，给定一个阈值_Cutoff，透明度小于这个值都不画；

透明测试需要关闭背面裁剪，以及加上透明测试三套件；

Tags { "Queue"="AlphaTest" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}

//渲染队列,忽略投影器,渲染类型Tags{"Queue"="AlphaTest""IgnoreProjector"="True""RenderType"="Transparent"}//关闭裁剪CullOffPass{...fixed4frag(v2fi):SV_Target{...//alpha值小于_Cutoff的都不画clip(texColor.a-_Cutoff);...}...}

修改Culloff值大小的效果：

2.透明颜色混合

AlphaBlend透明混合要关闭深度写入，否则会被剔除；

同时要选择混合模式，多种混合模式有点像ps里的透明图层叠加；

//三套件Tags{"Queue"="Transparent""IgnoreProjector"="True""RenderType"="Transparent"}Pass{//关闭深度吸入,打开深度测试,选择颜色混合模式Tags{"LightMode"="ForwardBase"}ZWriteOffBlendSrcAlphaOneMinusSrcAlpha...fixed4frag(v2fi):SV_Target{...//返回着色是,加上透明度returnfixed4(ambient+diffuse,texColor.a*_AlphaScale);}}

3.复杂模型双Pass颜色混合

模型复杂的时候会有自己遮挡自己的问题；用双Pass解决，第一个pass提前做好深度写入且只做深度入；

Pass{ZWriteOnColorMask0//RGBA任意|,选择需要写入的通道,只做深度缓冲,0不输出颜色}

4.透明混合渲染双面

同一个透明物体，我需要需要从正面看到透明物体的背面；

使用两个Pass；一个Cull Front，一个Cull Back；

背面和正面分开画，先画背面，用正面和背面混合；

五、复杂光照处理

1.复杂光照

Unity光源分为垂直光，点光源，锥形射光灯，面光源和探照灯都是烘焙后生效的不讨论；

Unity中普通Forwad前向渲染，没多一个灯光要加一个Pass单独处理；

Deffer延迟渲染，多个灯光也指渲染一次，有个G-Buffer存储了图像，在G-Buffer上处理光照；

点光源，锥形射光灯——光线方向由光源到顶点的方向；光线的衰减值也不同；

Unity系统提供的点光源和锥形射光灯的光线衰减纹理图，减少了计算；

Tags{"LightMode"="ForwardAdd"}#pragmamulti_compile_fwdadd#include"Lighting.cginc"#include"AutoLight.cginc"fixed4frag(v2fi):SV_Target{fixed3worldNormal=normalize(i.worldNormal);//dealwithdifferentlight,getworldLightDir;#ifdefUSING_DIRECTIONAL_LIGHTfixed3worldLightDir=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);fixedatten=1.0;#elsefixed3worldLightDir=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz-i.worldPos.xyz);//Getlightattenuation#ifdefined(POINT)float3lightCoord=mul(unity_WorldToLight,float4(i.worldPos,1)).xyz;fixedatten=tex2D(_LightTexture0,dot(lightCoord,lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;#elifdefined(SPOT)float4lightCoord=mul(unity_WorldToLight,float4(i.worldPos,1));fixedatten=(lightCoord.z>0)*tex2D(_LightTexture0,lightCoord.xy/lightCoord.w+0.5).w*tex2D(_LightTextureB0,dot(lightCoord,lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;#elsefixedatten=1.0;#endif#endif...returnfixed4((diffuse+specular)*atten,1.0);}

2.阴影处理

Untiy中MeshRender组件上有两个选项：

CastShadows——是否投射阴影，以及双面投射；

Receive Shadows——接受其他物体投射的阴影；

要求v2f中顶点坐标变量名必须是pos；

带阴影的shader必须FallBack一个带LightMode被设置为ShadowCaster的pass；

当然也可以自己实现这个Pass；

Tags{"LightMode"="ForwardBase"}CGPROGRAM#pragmamulti_compile_fwdbase#include"Lighting.cginc"#include"AutoLight.cginc"structv2f{float4pos:SV_POSITION;SHADOW_COORDS(2)};v2fvert(appdatav){v2fo;o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);TRANSFER_SHADOW(o);returno;}fixed4frag(v2fi):SV_Target{fixedatten=1.0;fixedshadow=SHADOW_ATTENUATION(i);returnfixed4((ambient+diffuse+specular)*atten*shadow,1.0);}