UNITY 3D 内建着色器源码剖析

目　录



第 1章　实时3D渲染流水线　1

1.1　概述　1

1.2　顶点处理阶段　2

1.2.1　顶点的组织方式　2

1.2.2　坐标系统和顶点法线的确定方式　3

1.2.3　把顶点从模型空间变换到世界空间　5

1.2.4　把顶点从世界空间变换到观察空间　9

1.2.5　把顶点从观察空间变换到裁剪空间　11

1.3　光栅化阶段　18

1.3.1　裁剪操作　18

1.3.2　透视除法　18

1.3.3　背面剔除操作　19

1.3.4　视口变换　21

1.3.5　扫描转换　22

1.4　片元处理与输出合并阶段　22

1.4.1　纹理操作　23

1.4.2　输出合并中的深度值操作　24

1.4.3　输出合并中的Alpha值操作　26

1.4.4　Unity 3D ShaderLab中的Alpha混合指令及深度测试指令　27

第 2章　辐射度、光度和色度学基本理论　30

2.1　辐射度学基本理论　30

2.1.1　立体角　32

2.1.2　点光源、辐射强度和辐射亮度　33

2.1.3　辐射出射度和辐射入射度　34

2.2　光度学基本理论　34

2.3　色度学基本理论　36

2.3.1　什么是颜色　36

2.3.2　颜色的数字化及CIE1931-RGB颜色模型　37

2.3.3　CIE1931-XYZ颜色模型　40

2.3.4　CIE1931-Yxy颜色模型　40

2.4　伽马校正和sRGB颜色空间　40

2.4.1　伽马校正　40

2.4.2　sRGB颜色空间　44

2.4.3　Unity 3D中的伽马空间和线性空间　45

第3章　Unity 3D着色器系统　47

3.1　从一个外观着色器程序谈起　47

3.1.1　BasicDiffuse着色器展开后的代码分析　49

3.1.2　外观着色器的编译指示符　56

3.1.3　传给外观着色器函数的参数　58

3.2　直接编写顶点着色器和片元着色器　59

3.2.1　用Cg语言编写的包含着色器功能的代码片段　59

3.2.2　声明目标渲染器　60

3.2.3　着色器的语义　61

3.3　在Cg代码中访问着色器属性块　66

3.3.1　在着色器代码中声明材质属性　66

3.3.2　在着色器代码中声明对应于材质属性的变量　67

3.4　使用着色器多样体处理多种情况　67

3.4.1　编译指示符multi_compile和shader_feature的使用方式与区别　67

3.4.2　多样体关键字的使用限制　68

3.4.3　内置的multi_compile指示符快捷使用方式　68

3.5　多平台着色器代码的支持　68

3.6　确定着色器编译器的版本　69

3.6.1　和着色器编译器版本相关的宏　69

3.6.2　消除着色器代码中各平台的语义差异性　70

3.6.3　关闭可忽视的编译警告　72

3.6.4　Unity 3D Shader的基本数据类型　72

3.6.5　消除平台差异性　73

3.6.6　统一着色器常量缓冲区的宏定义　75

3.6.7　HLSL语言中的分支预测特性　75

第4章　引擎提供的着色器工具函数和数据结构　78

4.1　UnityShaderVariables.cginc文件中的着色器常量和函数　78

4.1.1　进行变换操作用的矩阵　78

4.1.2　和摄像机相关的常量缓冲区　81

4.1.3　与光照相关的工具函数和内置光源　83

4.1.4　与阴影相关的着色器常量缓冲区　84

4.1.5　与逐帧绘制调用相关的着色器常量缓冲区　86

4.1.6　与雾效果相关的常量缓冲区　86

4.1.7　与光照贴图相关的常量缓冲区　87

4.2　UnityCG.cginc文件中的工具函数和宏　90

4.2.1　数学常数　90

4.2.2　与颜色空间相关的常数和工具函数　90

4.2.3　描述顶点布局格式的结构体　92

4.2.4　用于进行空间变换的工具函数　93

4.2.5　与光照计算相关的工具函数　97

4.2.6　与HDR及光照贴图颜色编解码相关的工具函数　102

4.2.7　把高精度数据编码到低精度缓冲区的函数　107

4.2.8　法线贴图及其编解码操作的函数　110

4.2.9　线性化深度值的工具函数　113

4.2.10　合并单程立体渲染时的左右眼图像到一张纹理的函数　115

4.2.11　用来实现图像效果的工具函数和预定义结构体　117

4.2.12　计算屏幕坐标的工具函数　118

4.2.13　与阴影处理相关的工具函数　121

4.2.14　与雾效果相关的工具函数和宏　123

第5章　Unity 3D引擎的多例化技术　128

5.1　多例化技术概述　128

5.1.1　不使用GPU多例化技术绘制多个相同模型的伪代码　128

5.1.2　在Direct3D 11中设置输入组装阶段的示例伪代码　128

5.1.3　设置顶点输入组装布局　129

5.1.4　顶点着色器和片元着色器中对使用GPU多例化技术的对应设置　129

5.2　如何在材质中启用多例化技术　130

5.3　添加逐实例数据　131

5.3.1　在外观着色器中给材质颜色变量增加GPU多例化支持的代码　131

5.3.2　在C#层改变game object中的多例化材质颜色属性　132

5.4　在顶点着色器和片元着色器中使用多例化技术　132

5.4.1　在顶点着色器和片元着色器中启用GPU多例化技术　132

5.4.2　UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID宏的定义　133

5.4.3　DEFAULT_UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID宏的定义　133

5.4.4　UNITY_INSTANCING_BUFFER_START及另外两个配套的宏的定义　134

5.4.5　UNITY_INSTANCED_ARRAY_SIZE宏的定义　135

5.4.6　UNITY_SETUP_INSTANCE_ID宏的定义　135

5.4.7　DEFAULT_UNITY_SETUP_INSTANCE_ID和UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID宏的定义　135

5.4.8　着色器常量缓冲区UnityDrawCallInfo的定义　136

5.4.9　5.4.1节中展开多例化相关的宏之后的代码　137

第6章　前向渲染和延迟渲染　139

6.1　前向渲染概述　139

6.2　延迟渲染概述　139

6.3　Unity 3D中的各种渲染途径　141

6.3.1　Unity 3D的前向渲染途径细节　142

6.3.2　Unity 3D的延迟渲染途径细节　144

第7章　Unity 3D的全局光照和阴影　147

7.1　全局照明和局部照明　147

7.2　引擎提供的光源类型　149

7.2.1　点光源　149

7.2.2　聚光灯光源　150

7.2.3　有向平行光源　150

7.2.4　区域面光源　150

7.2.5　cookie　151

7.3　使用实时模式光源进行全局照明　151

7.4　使用烘焙式光照贴图进行全局照明　152

7.5　使用混合光照进行全局照明　153

7.5.1　Baked Indirect照明模式　154

7.5.2　Shadowmask照明模式　154

7.5.3　Subtractive照明模式　155

7.6　光探针照明的细节　156

7.6.1　光探针照明概述　156

7.6.2　在场景中布置光探针　157

7.6.3　使用光探针　157

7.6.4　光探针代理体　158

7.6.5　反射用光探针　158

7.7　探讨基于球谐函数的全局光照　160

7.7.1　半球空间的光照方程　161

7.7.2　蒙特卡洛积分估算法的定义　161

7.7.3　球谐函数　163

7.7.4　正交对偶基函数和球谐光照　166

7.7.5　Unity 3D中的球谐光照　169

7.8　引擎中的渲染阴影的功能　175

7.8.1　在光源空间中确定产生阴影的区域　175

7.8.2　在屏幕空间中确定产生阴影的区域　175

7.8.3　如何启用阴影　175

7.8.4　透视走样和层叠式阴影贴图　177

第8章　UnityShadowLibrary.cginc 文件分析　179

8.1　阴影与全局照明系统的关系　179

8.2　聚光灯光源生成的阴影　179

8.2.1　启用SPOT宏　179

8.2.2　UNITY_DECLARE_SHADOWMAP宏的定义　180

8.2.3　SAMPLE_DEPTH_TEXTURE及类似的宏　181

8.2.4　UnitySampleShadowmap函数版本1　182

8.2.5　UnitySampleShadowmap函数版本2　183

8.3　点光源生成的阴影　183

8.3.1　从立方体纹理贴图中取得纹素对应的深度值　183

8.3.2　对采样值进行混合计算　184

8.4　预烘焙的阴影　185

8.4.1　LPPV_SampleProbeOcclusion函数　185

8.4.2　UnitySampleBakedOcclusion函数版本1　186

8.4.3　UNITY_SAMPLE_TEX2D_SAMPLER宏的定义　186

8.4.4　UnitySampleBakedOcclusion函数版本2　187

8.4.5　UnityGetRawBakedOcclusions函数　187

8.4.6　UnityMixRealtimeAndBakedShadows函数　188

8.5　阴影的淡化处理　188

8.5.1　UnityComputeShadowFadeDistance函数和UnityCompute

ShadowFade函数　188

8.5.2　梯度计算　189

8.6　计算深度阴影的偏移值　190

8.6.1　UnityGetReceiverPlaneDepthBias函数　192

8.6.2　UnityCombineShadowcoordComponents函数　192

8.7　PCF阴影过滤的相关函数　193

8.7.1　UnitySampleShadowmap_PCF3x3NoHardwareSupport函数　194

8.7.2　用于进行PCF过滤的辅助函数　195

8.7.3　执行PCF过滤操作的函数　199

8.7.4　基于3×3内核高斯模糊的PCF过滤操作　200

第9章　AutoLight.cginc文件分析　203

9.1　DIRECTIONAL宏的定义　203

9.2　有向平行光产生的基于屏幕空间的阴影的相关函数　203

9.2.1　启用UNITY_NO_SCREENSPACE_SHADOWS宏时TRANSFER_SHADOW宏的定义　203

9.2.2　启用UNITY_NO_SCREENSPACE_SHADOWS宏时的unitySampleShadow函数　204

9.2.3　未启用UNITY_NO_SCREENSPACE_SHADOWS宏时TRANSFER_SHADOW宏的定义　204

9.2.4　UNITY_SAMPLE_SCREEN_SHADOW宏和UNITY_DECLARE_SCREENSPACE_　SHADOWMAP宏的定义　205

9.3　Unity 3D 5.6版本后的阴影和光照计算工具函数　205

9.3.1　UnityComputeForwardShadows函数　205

9.3.2　不同编译条件下的UNITY_SHADOW_COORDS、UNITY_TRANSFER_SHADOW和UNITY_SHADOW_ATTENUATION宏的定义　206

9.3.3　计算点光源的光亮度衰减的宏　209

9.3.4　计算聚光灯光源的光亮度衰减的宏　209

9.3.5　计算有向平行光源的光亮度衰减的宏　211

9.3.6　计算带cookie的点光源的光亮度衰减的宏　211

9.3.7　计算带cookie的有向平行光源的光亮度衰减的宏　212

第 10章　基于物理的光照模型　213

10.1　漫反射和Lambert光照模型　213

10.2　镜面反射和Phong光照模型　214

10.3　Blinn-Phong光照模型　215

10.4　基于物理的光照模型的相关概念　216

10.4.1　光的折射和折射率　216

10.4.2　均匀介质　217

10.4.3　散射　217

10.4.4　双向反射分布函数　218

10.4.5　菲涅尔反射　220

10.4.6　微表面和Cook-Torrance模型　223

10.4.7　定义菲涅尔方程　225

10.4.8　Cook-Torrance BRDF模型　226

第 11章　Unity 3D标准着色器和　Standard.shader文件分析　227

11.1　标准着色器中的各项材质属性　227

11.1.1　Rendering Mode属性　227

11.1.2　Albedo属性　228

11.1.3　Metal属性　228

11.1.4　Smoothness属性　229

11.1.5　Normal Map属性　230

11.1.6　Height Map属性　230

11.1.7　Occlusion属性　234

11.1.8　Emission属性　235

11.1.9　Secondary Map属性　235

11.1.10　Detail Mask属性　236

11.2　Standard.shader中的属性变量　236

11.2.1　Standard.shader代码段中的属性变量　236

11.2.2　Standard.shader代码段中的MetallicSetup函数　237

11.3　第 一个SubShader的前向通路　238

11.3.1　前向通路的简化版顶点着色器入口函数　239

11.3.2　前向通路的简化版片元着色器入口函数　247

11.3.3　前向通路的简化版着色器流程　254

11.3.4　前向通路的标准版顶点着色器入口函数　255

11.3.5　前向通路的标准版片元着色器入口函数　258

11.3.6　前向通路的标准版着色器流程　263

11.4　第 一个SubShader的FORWARD_DELTA通路　263

11.4.1　FORWARD_DELTA通路的简化版顶点着色器入口函数　263

11.4.2　FORWARD_DELTA通路的简化版片元着色器入口函数　265

11.4.3　FORWARD_DELTA通路的简化版着色器流程　267

11.4.4　FORWARD_DELTA通路的标准版顶点着色器入口函数　268

11.4.5　FORWARD_DELTA通路的标准版片元着色器入口函数　270

11.4.6　FORWARD_DELTA通路的标准版着色器流程　271

11.5　第 一个SubShader的ShadowCaster通路　272

11.5.1　ShadowCaster通路的编译指示符以及着色器变量和宏　273

11.5.2　ShadowCaster通路的顶点着色器入口函数　275

11.5.3　ShadowCaster通路的片元着色器入口函数　278

11.6　第 一个SubShader的延迟通路　281

11.6.1　延迟通路的顶点着色器入口函数　281

11.6.2　延迟通路的片元着色器入口函数　282

11.7　第 一个SubShader的元渲染通路　284

11.7.1　元渲染通路的顶点着色器入口函数　284

11.7.2　元渲染通路的片元着色器入口函数　285

11.8　UnityStandardInput.cginc的结构体、着色器变量、宏和函数　286

11.8.1　文件中预定义的宏　286

11.8.2　VertexInput结构体　287

11.8.3　TexCoords函数　287

11.8.4　DetailMask函数　288

11.8.5　Albedo函数　288

11.8.6　Alpha函数　289

11.8.7　Occlusion函数　289

11.8.8　MetallicGloss函数　289

11.8.9　Emission函数　290

11.8.10　NormalInTangentSpace函数　290

11.8.11　Parallax函数　291

11.9　UnityStandardUtils.cginc的结构体、着色器变量、宏和函数　292

11.9.1　PreMultiplyAlpha函数　292

11.9.2　OneMinusReflectivityFrom Metallic函数　292

11.9.3　DiffuseAndSpecularFrom Metallic函数　293

11.9.4　LerpWhiteTo函数　293

11.9.5　LerpOneTo函数　293

11.9.6　ParallaxOffset1Step函数　294

11.9.7　UnpackScaleNormalRGorAG函数　294

11.9.8　UnpackScaleNormal函数　295

11.9.9　BlendNormals函数　295

11.9.10　CreateTangentToWorldPer Vertex函数　295

11.9.11　ShadeSHPerVertex函数　295

11.9.12　ShadeSHPerPixel函数　296

11.9.13　BoxProjectedCubemap Direction函数　296

11.10　UnityImageBasedLighting.cginc的结构体、着色器变量、宏和函数　299

11.10.1　Unity_GlossyEnvironmentData结构体　299

11.10.2　UnityGlossyEnvironmentSetup　函数　300

11.10.3　Unity_GlossyEnvironment函数　300

11.10.4　perceptualRoughnessTo MipmapLevel函数　301

11.11　UnityGlobalIllumination.cginc的结构体、着色器变量、宏和函数　301

11.11.1　ResetUnityLight函数　301

11.11.2　SubtractMainLightWithReal timeAttenuationFromLightmap函数　302

11.11.3　UnityGI_Base函数　302

11.11.4　UnityGI_IndirectSpecular函数　304

11.11.5　UnityGlobalIllumination函数版本1　305

11.11.6　UnityGlobalIllumination函数版本2　305

11.12　UnityStandardBRDF.cginc的结构体、着色器变量、宏和函数　305

11.12.1　PerceptualRoughnessTo Roughness函数　306

11.12.2　RoughnessToPerceptual Roughness函数　306

11.12.3　SmoothnessToRoughness函数　306

11.12.4　SmoothnessToPerceptual Roughness函数　306

11.12.5　Pow4函数的4个不同版本　307

11.12.6　Pow5函数的4个不同版本　307

11.12.7　FresnelTerm函数　307

11.12.8　FresnelLerp函数　308

11.12.9　FresnelLerpFast函数　308

11.12.10　DisneyDiffuse函数　308

11.12.11　SmithJointGGXVisibilityTerm函数　309

11.12.12　GGXTerm函数　309

11.12.13　BRDF3_Indirect函数　310

11.12.14　BRDF3_Direct函数　310

11.12.15　BRDF3_Unity_PBS函数　311

11.12.16　BRDF2_Unity_PBS函数　311

11.12.17　BRDF1_Unity_PBS函数　313

11.13　UnityGBuffer.cginc的结构体、着色器变量、宏和函数　314

11.13.1　UnityStandardData结构体　314

11.13.2　UnityStandardDataToGbuffer函数　315

11.14　UnityMetaPass.cginc的结构体、着色器变量、宏和函数　315

11.14.1　UnityMetaPass常量缓冲区　315

11.14.2　UnityMetaInput结构体　315

11.14.3　UnityMetaVertexPosition函数　316

11.14.4　UnityMetaFragment函数　316

第 12章　实战—在片元着色器用算法实时绘制图像　318

12.1　搭建绘图环境　319

12.2　设计绘制场景的着色器　320

12.2.1　顶点着色器所需的数据结构和实现　320

12.2.2　判断某点是否在三角形内　321

12.2.3　基于距离场判定片元的颜色　322

12.2.4　定义五角星几何体数据　326

12.2.5　判断某点是否在圆及矩形内　328

12.2.6　定义和绘制场景中的几何体　331