UNITY 3D SHADERLAB开发实战详解(第3版)

目　　录

第 1篇　初识庐山真面目—

Unity　3D着色器

第 1章　着色器的概念和渲染流水线　2

1.1　着色器的概念　2

1.1.1　虚拟世界中的光明和色彩　2

1.1.2　游戏开发人员的巅峰　2

1.1.3　着色器简史　2

1.1.4　着色器的实例化　3

1.1.5　着色器的实现语言　3

1.1.6　Unity中的着色器编程　4

1.2　渲染流水线　4

1.2.1　渲染流水线简介　4

1.2.2　渲染流水线阶段　5

1.3　渲染流水线执行阶段　6

1.3.1　输入装配阶段　6

1.3.2　顶点着色器　8

1.3.3　细化阶段　8

1.3.4　几何着色器　9

1.3.5　流输出阶段　10

1.3.6　片元着色器　10

1.3.7　输出合并阶段　11

1.4　其他一些细节　11

1.4.1　延迟渲染和前向渲染　11

1.4.2　批次合并渲染　13

第 2章　渲染原理和图形存储器　14

2.1　渲染原理　14

2.1.1　立即模式渲染　14

2.1.2　基于区块的（延迟）渲染　16

2.2　图形存储器　18

2.2.1　GPU的存储系统层次体系　19

2.2.2　数据结构　20

2.2.3　渲染所需的数据结构　23

2.2.4　合并批次渲染原理回顾　23

第3章　Unity中着色器的形态　25

3.1　Unity通过ShaderLab来组织着色器　25

3.1.1　关键字Shader　25

3.1.2　使用子着色器组织着色器的

不同实现　25

3.1.3　子着色器的重要标签　25

3.1.4　子着色器中的Pass块　26

3.1.5　Pass块的标签及其名字的

意义　26

3.1.6　使用FallBack语句保证

着色器的广泛适应性　27

3.2　Unity支持的着色器编程语言　27

3.3　Unity中着色器的3种形态　27

3.3.1　固定流水线　27

3.3.2　可编程着色器　28

3.3.3　ShaderLab中的表面着色器　29

3.4　着色器的数据接口—属性和uniform

变量　31

3.4.1　在Properties块中定义属性　31

3.4.2　通过图形界面操作属性　31

3.4.3　通过脚本操控属性　31

3.4.4　矩阵—不能在属性块中

定义的变量　32

3.4.5　在Cg代码中使用属性　32

第4章　着色器中用到的各种空间概念　33

4.1　模型空间　33

4.1.1　为什么用模型空间　33

4.1.2　在脚本和着色器中进出模型

空间　33

4.2　世界坐标空间　33

4.2.1　统一的坐标空间—世界坐标

空间　33

4.2.2　在脚本和着色器中进出世界

坐标空间　34

4.3　视空间　34

4.3.1　渲染的需要—视空间　34

4.3.2　在脚本和着色器中进出视

空间　34

4.4　空间的一块—视锥体　34

4.5　剪切空间　35

4.5.1　投影　35

4.5.2　脚本和着色器中的投影矩阵　35

4.5.3　验证NDC　35

4.6　NDC之后　36

第5章　基本的光照模型　37

5.1　光源对物体照明的分类　37

5.1.1　间接照明　37

5.1.2　直接照明　37

5.2　亮度的计算方式—光照模型　37

5.2.1　漫反射和Lambert　37

5.2.2　镜面高光和Phong　38

5.2.3　半角向量和BlinnPhong　38

第 2篇　让应用更炫彩—

Unity中的照明

第6章　第 一个执行的通道　42

6.1　不同的LightMode被选择的顺序　42

6.1.1　渲染路径和通道的LightMode标签　42

6.1.2　设计可以检测渲染路径的

材质　42

6.1.3　设计便于检测渲染路径的

场景　43

6.1.4　观察那些渲染的通道　43

6.2　3个渲染路径之外的处理方式　45

6.2.1　LightMode的其他值　45

6.2.2　设计检测用的材质　45

第7章　前向渲染路径　47

7.1　渲染物体—ForwardBase和

ForwardAdd　47

7.1.1　设计检测用的场景和材质　47

7.1.2　ForwardBase和ForwardAdd的

表现　48

7.2　前向渲染路径下的光源　48

7.2.1　设计检测用的材质　48

7.2.2　光源的情况　48

7.2.3　Unity如何为前向渲染路径

设置光源　49

第8章　基于光照贴图的烘焙照明　50

8.1　烘焙的维度和属性矩阵　50

8.2　光照贴图　50

8.2.1　测试烘焙的场景　51

8.2.2　烘焙之后的场景　52

8.2.3　双光照贴图　52

8.3　在效果和性能间进行权衡　52

8.3.1　影响全局的Resolution选项　53

8.3.2　单个物体的选项　53

第9章　柔和的低频照明　55

9.1　初识光照探头　55

9.1.1　光照探头照明的优点　55

9.1.2　检测光照探头照明的场景　55

9.1.3　使用光照探头组进行管理　57

9.1.4　烘焙场景光照信息到光照

探头中　57

9.1.5　对比光照探头照明和实时

照明　58

9.2　放置光照探头的注意事项　59

9.2.1　必须形成一个体积　59

9.2.2　单个光照探头必须处于采样

光源的照射范围　59

9.3　照明采样的Anchor Override　59

9.3.1　动态更新光照探头　59

9.3.2　基于线性插值的采样　59

9.3.3　改变默认的插值位置　59

9.4　光照探头照明和阴影　60

9.4.1　光照探头和光照贴图的

异同　60

9.4.2　烘焙阴影时可能会犯的错误　61

9.4.3　将静态物体的阴影烘焙到

光照探头上　61

9.4.4　光照探头照明和实时阴影的

混合　62

9.5　烘焙一个色彩丰富的场景　62

9.6　在自己的材质中使用光照探头　63

9.6.1　为前向渲染路径中的材质计算

光照探头　63

9.6.2　使用ShadeSH9函数　64

9.6.3　在一个表面着色器中进行

计算　65

9.7　LPPV的设计目的　66

9.7.1　LPPV是什么　66

9.7.2　照明的场景　66

第3篇　使应用更逼真—阴影

第 10章　平面阴影　70

10.1　平行光对平面的投影　70

10.1.1　对平行光投影的考虑　70

10.1.2　进出阴影接受平面的矩阵　70

10.1.3　使用三角形相似计算阴影　71

10.2　点光源对平面的投影　72

10.3　阴影的淡出　73

10.3.1　有效利用平面阴影计算

过程中的数据　73

10.3.2　潜在的问题　74

第 11章　球体阴影　75

11.1　平行光对球体的投影　75

11.1.1　投影球体的信息　75

11.1.2　使用相似三角形计算投影　75

11.2　阴影的淡入/淡出　76

11.3　点光源对球体的投影　77

第 12章　体积阴影　78

12.1　将顶点沿某一方向挤出　78

12.1.1　在Vertex函数中操作　78

12.1.2　判断顶点是向光还是背光　79

12.2　从体积中找到阴影区域　79

12.2.1　两次挤出　79

12.2.2　计算出阴影区域　80

12.2.3　渲染阴影　80

12.2.4　需要注意的问题　80

第 13章　阴影映射　82

13.1　灯光空间和相机空间　82

13.1.1　观察两个空间　82

13.1.2　两个视角的Z深度　82

13.1.3　渲染Z深度的材质　83

13.2　投射Z深度　83

13.2.1　准备灯光视角的投影矩阵　83

13.2.2　在材质中计算投影后的Z

深度　84

13.3　比较Z深度　85

13.3.1　比较Z深度的材质　85

13.3.2　Z深度的精度引起的问题　87

13.3.3　提高Z深度的精度　87

13.3.4　对Z深度值进行偏移　88

第 14章　内置的阴影　89

14.1　Unity实时阴影的原理　89

14.1.1　基本原理　89

14.1.2　软阴影　89

14.2　投射阴影　90

14.2.1　使用ShadowCaster投射

阴影　90

14.2.2　在ShadowCaster里都做了

什么　91

14.2.3　写一个自己的ShadowCaster　91

14.2.4　改变ShadowCaster的行为　92

14.2.5　阴影和FallBack机制　92

14.3　接受阴影　94

14.4　表面着色器和阴影　94

14.4.1　表面着色器的阴影和

Fallback　94

14.4.2　表面着色器里的灯光参数和

阴影　95

14.4.3　表面着色器对前向渲染路径下

阴影的支持　95

14.5　阴影的批处理　96

14.5.1　批处理阴影的好处　96

14.5.2　简单的Caster　97

14.5.3　静态阴影的批处理　98

14.5.4　动态阴影的批处理　100

第4篇　Unity中的各种着色器

第 15章　通道的通用指令开关　104

15.1　使用LOD在运行时决定材质　104

15.1.1　材质的LOD　104

15.1.2　在运行时设定单个材质的

LOD　104

15.1.3　设定全局所有材质的

LOD　105

15.2　渲染队列　106

15.2.1　标签队列和渲染顺序　106

15.2.2　渲染队列和ZTest判断　107

15.2.3　Unity中内置的渲染队列　107

15.2.4　一个利用渲染队列的例子　107

15.3　透明的产生　108

15.3.1　Alpha检测和8种比较

条件　108

15.3.2　生成着色器的内容　108

15.3.3　结合AlphaTest和Blend

操作　109

15.4　混合操作及其应用　110

15.4.1　混合操作　110

15.4.2　生成着色器的代码　110

15.4.3　检测不同的混合操作　110

15.4.4　BlendOp选项　111

15.4.5　检测BlendOp操作　112

15.4.6　两个使用Blend生成的

效果　112

15.5　使用ColorMask　114

15.5.1　ColorMask的作用　114

15.5.2　检测ColorMask　114

15.5.3　一个使用ColorMask的

例子　115

15.6　深度测试　116

15.6.1　存取场景的深度测试　116

15.6.2　RenderType标签和与生成

深度测试的关联　116

15.6.3　内置RenderType的值　117

15.6.4　前向渲染路径下的

深度测试　117

15.7　Z深度的偏移量　118

15.7.1　干预正常深度测试的手段　118

15.7.2　观察偏移量在不同应用

条件下的表现　118

15.8　面的剔除操作　118

15.9　自动生成贴图的坐标　119

15.9.1　ObjectLinear和等价的

Cg代码　119

15.9.2　EyeLinear和等价的

Cg代码　120

15.9.3　SphereMap和等价的

Cg代码　121

15.9.4　CubeReflect和等价的

Cg代码　122

15.9.5　CubeNormal和等价的

Cg代码　122

15.10　抓屏操作　123

15.10.1　如何使用GrabPass　123

15.10.2　一个模拟曲面反射的

例子　124

15.11　雾效　124

15.11.1　雾效和Unity的3种

实现　124

15.11.2　材质中对雾效的控制　125

15.11.3　实现自己的雾效　126

15.12　蒙版　128

15.12.1　蒙版测试、Z深度和

Alpha测试　128

15.12.2　使用蒙版测试改变渲染

结果　128

15.12.3　综合使用蒙版和队列　128

第 16章　固定流水线　130

16.1　Unity中的固定流水线　130

16.1.1　固定流水线基本形态　130

16.1.2　与照明相关的Material块　130

16.1.3　处理纹理的SetTexture块　131

16.1.4　流水线基本形态的另一种

写法　131

16.1.5　Combine语句　131

16.2　使用顶点色　132

16.2.1　使用ColorMaterial　132

16.2.2　使用Bind　132

16.3　在固定流水线中使用光照贴图　132

16.4　嵌套Cg代码　133

第 17章　表面着色器　134

17.1　表面着色器的适应性　134

17.1.1　一个分析策略　134

17.1.2　测试用的场景　134

17.1.3　检测结果　135

17.2　延迟渲染和GeoBuffer　135

17.3　表面着色器的特殊性　136

17.3.1　表面着色器的混合和透明　136

17.3.2　自定义Vertex函数　137

第 18章　凹凸材质　139

18.1　切空间　139

18.2　凹凸贴图　139

18.2.1　计算到切空间的矩阵　139

18.2.2　Unity中法线贴图的压缩

格式　140

18.2.3　使用切空间矩阵的另一种

方法　140

18.2.4　Unity对切空间计算的

支持　141

18.2.5　解压缩法线贴图的函数　141

18.2.6　在切空间中计算高光　142

18.2.7　表面着色器和切空间　142

18.3　视差映射　143

18.3.1　视差映射及其别名　143

18.3.2　一个使用灰度图来

偏移UV的材质　143

18.3.3　结合法线贴图　145

18.3.4　用视角来决定UV偏移量　145

18.3.5　一个完整的实现　146

18.4　地势映射　147

18.4.1　视差映射的极限和地势映射的

面世　147

18.4.2　地势映射的算法　148

18.4.3　一个完整的实现　148

第 19章　卡通材质　151

19.1　描边　151

19.1.1　沿法线挤出轮廓　151

19.1.2　容易产生的问题　152

19.1.3　在视空间中挤出　152

19.1.4　顶点位置的另一个含义　153

19.1.5　调和法线和顶点方向　154

19.1.6　判断顶点的指向　154

19.1.7　不仅仅是轮廓　155

19.1.8　通过Z偏移量来描边　158

19.2　卡通着色　158

19.2.1　对光照进行离散化　158

19.2.2　使用2D贴图重新映射

光照　160

第 20章　镜面材质　162

20.1　镜像一个相机　162

20.1.1　镜子里的世界和我的计划　162

20.1.2　在脚本中对位置和角度进行

镜像　162

20.2　使用镜像相机来渲染和投影　163

20.2.1　镜面材质的工作—采样被

投影的渲染结果　163

20.2.2　脚本的工作—渲染镜像相机

和设置投影矩阵　164

20.3　镜像相机的近剪切平面和

倾斜矩阵　164

20.3.1　调节近剪切平面　164

20.3.2　使用倾斜矩阵微调视锥体　165

第 21章　透明和半透明材质　166

21.1　半透明材质　166

21.2　化繁为简　166

21.3　透明材质　167

第 22章　体积雾　170

22.1　距离的表达—相对于背景的

体积雾　170

22.1.1　需要计算的东西　170

22.1.2　使用一个通道来完成所有的

计算　170

22.1.3　黑色的雾效　171

22.2　厚度的表达—物体形体的

体积雾　172

22.2.1　必须计算的两个数据　172

22.2.2　在Unity中使用一个通道来

完成所有计算　172

第 23章　面积光　175

23.1　线光源　175

23.1.1　点、线、面　175

23.1.2　如何理解一个线光源　175

23.1.3　通过脚本传递线光源的

几何信息　175

23.1.4　计算线光源的照明　176

23.1.5　线光源的辐射方向　177

23.1.6　线光源的衰减　178

23.2　面积光源　179

23.2.1　面积光和线光源的不同　179

23.2.2　通过脚本设定面积光的

几何特性　179

23.2.3　计算面积光　179

23.2.4　和默认照明的整合　181

第 24章　体积光　183

24.1　体积光和体积阴影　183

24.1.1　体积光　183

24.1.2　体积光和体积阴影的关系　183

24.2　实现体积光　183

24.2.1　在着色器中表现体积光　183

24.2.2　脚本的帮助　184

第 25章　材质替代渲染　186

25.1　相机和渲染消息　186

25.1.1　相机的渲染消息发送顺序　186

25.1.2　*后能改变Cull操作结果的

地方　186

25.1.3　*后能设置材质数据的

地方　187

25.2　如何使用RenderWithShader方法　187

25.2.1　标签值不同的5个着色器　187

25.2.2　调用RenderWithShader

方法的脚本　189

25.2.3　替换用的5个材质　190

25.2.4　检测RenderWithShader

方法的效果　191

25.2.5　使用子着色器组织替代

材质　191

25.2.6　如何设置替代材质的属性　192

25.2.7　将结果输出到屏幕上　192

25.3　SetReplacementShader和

ResetReplacementShader与

RenderWithShader方法的异同　193

第 26章　后期效果　194

26.1　Graphics的两个方法　194

26.1.1　与相机渲染方法的不同

之处　194

26.1.2　Blit方法的简单示例　194

26.1.3　使用BlitMultiTap方法进行

多重采样　195

26.2　一个简单的调色　199

26.2.1　调色用的脚本　199

26.2.2　调色用的材质　200

26.2.3　更高效的做法　201

26.3　景深　203

26.3.1　用于模糊图像的材质　203

26.3.2　进行纵横两次模糊操作　204

26.3.3　进行混合操作的脚本　204

26.3.4　进行混合操作的材质　205

26.3.5　提供一个可调节参数　206

26.4　轮廓检测　206

26.4.1　用脚本获得场景的Z深度和

法线　207

26.4.2　在材质中进行边缘检测　207

26.5　扭曲　208

26.5.1　通过UV操作扭曲图像　208

26.5.2　限定扭曲的区域　209

26.5.3　使用物体来做遮罩　210

26.6　运动模糊　213

26.6.1　如何记录运动轨迹　213

26.6.2　实现运动模糊的材质　213

26.6.3　用于完成整个过程的脚本　214

26.6.4　通过Alpha和帧的混合操作

实现运动模糊　215

26.7　噪波　215

26.7.1　根据Z深度来混合噪波　216

26.7.2　根据明暗程度来混合噪波　217

26.8　色彩的溢出　217

26.8.1　色彩溢出的算法考量　218

26.8.2　实现色彩溢出的采样计算　218

第 27章　投影　220

27.1　Unity的Projector　220

27.1.1　Projector中材质的执行

顺序　220

27.1.2　如何写Projector使用的

材质　220

27.1.3　控制投影淡进淡出的矩阵　221

27.2　实现自己的投影　222

27.2.1　设定投影矩阵的脚本　222

27.2.2　采样投影的材质　223

27.2.3　直接投影到屏幕上　224

第 28章　分割一个物体　225

28.1　分割一个物体的思路　225

28.1.1　我们需要什么样的信息　225

28.1.2　脚本的帮助　225

28.2　在着色器中剪切一个物体　225

第5篇　着色器的组织和优化

第 29章　着色器的组织和复用　228

29.1　cginc文件　228

29.1.1　Unity的UnityCG.cginc

文件　228

29.1.2　定义自己的cginc文件　228

29.1.3　使用自定义的cginc文件　229

29.2　通过UsePass来复用通道　229

29.2.1　定义自己要复用的通道　229

29.2.2　复用这些通道　230

29.3　定义着色器的关键字　231

29.3.1　使用关键字改变着色器的

行为　231

29.3.2　自定义着色器的关键字　231

29.4　使用multi_compile编译着色器的

多个版本　232

29.4.1　使用multi_compile实现多次

编译　232

29.4.2　在脚本中选择着色器的

版本　232

29.4.3　使用自定义的材质编辑器　233

29.4.4　MaterialEditor　233

29.5　Unity对DX11支持所带来的

问题　234

第30章　基本的渲染概念　236

30.1　逐顶点计算和逐像素计算　236

30.1.1　逐顶点计算　236

30.1.2　逐像素计算　236

30.1.3　如何在这两个概念中

取舍　236

30.2　绘制调用的意义　236

30.2.1　绘制调用的概念　236

30.2.2　正确理解绘制调用对开发

应用的意义　236

30.2.3　合批的概念和Unity为优化

绘制调用所做的工作　237

30.2.4　优化绘制调用　237

30.3　利用渲染队列的技巧　237

30.3.1　渲染队列的概念　237

30.3.2　设置渲染队列的技巧　237

第31章　渲染优化　238

31.1　渲染优化的元素　238

31.2　小型物体的优化　238

31.3　中型物体的优化　240

31.4　大型物体的优化　241

31.5　模型的优化　242

31.6　地形的优化　243

31.7　UI的优化　246

31.8　物理引擎　248

31.9　慎用后期效果　248

31.10　慎用透明效果　248

31.11　其他　248

31.12　移动平台的特点　249

31.12.1　一些指令的运算速度　249

31.12.2　几何复杂度　249

31.12.3　贴图的问题　249

31.12.4　数据类型的使用方式　250

31.12.5　变量的使用　251

附录　相关资源　252