【Unity3D Shader编程】之二 雪山飞狐篇：Unity的基本Shader框架写法&颜色、光照与材
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作者：毛星云（浅墨） 微博：http://weibo.com/u/1723155442
本篇文章中，我们学习了Unity Shader的基本写法框架，以及学习了Shader中Properties（属性）的详细写法，光照、材质与颜色的具体写法。写了6个Shader作为本文Shader讲解的实战内容，最后创建了一个逼真的暴风雪场景进行了Shader的测试。依旧是国际惯例先上本文配套程序的截图。
先是一张远眺图：
浅墨在场景中放置了一个自动旋转的剑阵，瞬间武侠气息爆棚：
来一张近距离：
看到银白色的世界漫天飞雪，剑阵列为圈旋转，有没有雪山飞狐的即视感呢？
需要说明的是，由于CSDN的图片上传限制2Mb，这样画质的场景做成GIF上传不了。而静态的图片没有动态的表现力，感受不到风雪吹到自己身上的那种刺骨的感觉，所以在这里贴出的图，表现力已经是大打则扣了，而音效和背景音乐更是听不了，表现力就更是不如亲自运行了，所以浅墨推荐感兴趣的同学可以下载此场景的exe自己运行玩耍，赏玩。且此场景有些庞大，徒步走估计5分钟才能走到场景边界。Please enjoy~
点击这里，下载此“雪山飞狐”场景的exe。
另外提醒，场景unity源文件和源代码在末尾提供下载。
OK，我们正式开始。
一、一些基本概念认知
1.1 Shader和Material的基本概念认知
先引用一段文字，阐述Shader和Material的基本关系：
“Shader（着色器）实际上就是一小段程序，它负责将输入的Mesh（网格）以指定的方式和输入的贴图或者颜色等组合作用，然后输出。绘图单元可以依据这个输出来将图像绘制到屏幕上。输入的贴图或者颜色等，加上对应的Shader，以及对Shader的特定的参数设置，将这些内容（Shader及输入参数）打包存储在一起，得到的就是一个Material（材质）。之后，我们便可以将材质赋予合适的renderer（渲染器）来进行渲染（输出）了。
所以说Shader并没有什么特别神奇的，它只是一段规定好输入（颜色，贴图等）和输出（渲染器能够读懂的点和颜色的对应关系）的程序。而Shader开发者要做的就是根据输入，进行计算变换，产生输出而已。“
这段文字出自《猫都能学会的Unity3D Shader入门指南（一）》，是比较好的Unity Shader的入门文章，可惜只写了两篇，后面就没有继续了。浅墨在文章开头懒得写了，就讲这句引用了过来。
1.2 背景知识说明
在这里需要说明，学习Unity中的Shader编程，最好是之前对OpenGL或Direct3D的渲染状态等相关知识有一个基本的了解。如果之前没有太接触过这方面的知识，可以看看浅墨写的DirectX相关的教程。而需要大量恶补提升图形编程功力的童鞋，可以在NVIDIA和AMD开发者网站上可以找一些着色器教程和文档来啃啃。
对于本期的光照和材质，需要的背景知识可以看浅墨之前写的这篇以DirectX为载体的光照和材质导论式的文章：
《【Visual C++】游戏开发笔记四十 浅墨DirectX教程之八 绘制真实质感的三维世界：光照与材质专场》
如果对其中的C++&DirectX的代码不太熟悉的话，没关系。看看概念，了解个大概就可以了。
二、 Unity中Shader的三种基本类型
我们知道，计算机图形学的中渲染管线一般可以分为两种类型：
1.固定功能渲染管线(fixed-functionrendering pipelines)
2.可编程渲染管线(programmablerendering pipelines)
按这样的分类思路，在Unity中，Shader便可以分成如下三种基本类型：
1.固定功能着色器（Fixed Function Shader）
2.表面着色器（Surface Shader）
3.顶点着色器&片段着色器 （Vertex Shader & Fragment Shader）
顾名思义，其中的固定功能着色器便是我们所说的固定功能渲染管线(fixed-functionrendering pipelines)的具体表现，而表面着色器、顶点着色器以及片段着色器便属于可编程渲染管线。下面分别对其进行简单的介绍。
2.1 关于固定功能着色器
这里的固定功能着色器可以说是Unity为Shader的书写自带的一层壳，Unity已经在内部为我们做了大量的工作，我们只要稍微记住一些关键字、一些规范就可以实现出很多不错的效果。固定功能着色器是我们初学Unity Shader的最近几篇文章中的主要学习对象。而后面的表面着色器、顶点着色器以及片段着色器就是在固定功能着色器的基础上嵌套了CG语言的代码而成的更加复杂的着色器。我们来看看他们的一些基本概念。
2.2 关于表面着色器
表面着色器（Surface Shader）这个概念更多的只是在Unity中听说，可以说是Unity自己发扬光大的一项使Shader的书写门槛降低和更易用的技术。我们会在接下来的学习中逐渐意识到Unity是如何为我们把Shader的复杂性包装起来，使其书写的过程更便捷和易用的。
2.3 关于顶点着色器和片段着色器
研究过Direct3D和OpenGL着色器编程的童鞋们一定对这两者不陌生。我们来简单介绍一下他们的用途。
顶点着色器：产生纹理坐标，颜色，点大小，雾坐标，然后把它们传递给裁剪阶段。
片段着色器：进行纹理查找，决定什么时候执行纹理查找，是否进行纹理查找，及把什么作为纹理坐标
2.4 如何区分Unity中的Shader类型
在Unity中想要区分他们很简单。后面熟悉了自然知道。在这里浅墨先剧透一下：
- 没有嵌套CG语言，也就是代码段中没有CGPROGARAM和ENDCG关键字的，就是固定功能着色器。
- 嵌套了CG语言，代码段中有surf函数的，就是表面着色器。
- 嵌套了CG语言，代码段中有#pragma vertex name和 #pragma fragment frag声明的，就是顶点着色器&片段着色器。
三、Unity中将Shader赋给Material的两种方法
在Unity中将Shader赋给Material使用的两种方法。
【方法一】直接将Shader拖拽到Material之上。这种方法我们上篇文章中已经多次讲到，也就是这样：
【方法二】在Material的Inspector面板中选择。
Unity中内建的Shader都是通过这种方式来让Material使用的。在Material的Inspector中，其名字下方的Shader栏中选择。可以发现Unity已经为我们准备好了很多种不同的Shader，基本可以满足居家旅行的需求了。
而对于我们自己新写的Shader，也会在这个菜单栏中显示出来。细心的朋友们看上图的时候，肯定就已经发现了。
这里选择的菜单取决于我们Shader中定义Shader的第一行代码时紧接着Shader关键字的引号“”里面的书写方式：
四、Unity 中Shader的基本框架
因为着色器代码可以说专用性非常强，因此Shader的设计者人为地规定了它的基本结构。而Unity中Shader整体的框架写法可以用如下的形式来概括：
Shader "name" { [Properties] SubShaders[Fallback] }
也就是说，Unity中所有着色器都是由Shader关键字开始，随后的字符串表示着色器的名字。这个名字会显示在Inspector检视面板中。所有用于这个着色器的代码必须放置在之后的大括号中：{ }（称为“块”）。ps：该名字应该是短且描述性的文字。它并不需要和shader文件名相同。而想要把着色器加入到Unity的子菜单里，名字需要用斜线(/)。例如：浅墨Shader编程/TheFirstShader就是一个名叫TheFirstShader的着色器，而这个着色器位于“浅墨Shader编程”的子菜单下。这样，我们就可以在Shader后面紧跟着的引号中用“/”来构造出子二级甚至多级的子菜单来，方便了后面Shader写多了时候的合理分类,不至于太乱。
OK，我们继续讲。有图有真相，Shader整体的框架写法用图来说就是这样：
看图可以知道，首先是一些属性定义，用来指定这段代码将有哪些输入。接下来是一个或者多个的子着色器，在实际运行中，哪一个子着色器被使用是由运行的平台所决定的。子着色器是代码的主体，每一个子着色器中包含一个或者多个的Pass。在计算着色时，平台先选择最优先可以使用的着色器，然后依次运行其中的Pass，然后得到输出的结果。最后指定一个Fallback，可译为“回滚”，俗称备胎，用来处理所有SubShader都不能运行的情况（比如目标设备实在太老，所有SubShader中都有其不支持的特性，于是只好用备胎了，不然就显示不出来）。
不同的图形卡有不同的性能，这对游戏开发者来说是永恒的问题，而这恰恰就是子着色器为什么可以发光发热的原因。若我们开发出了一种使用了当前业界前沿技术构成的Shader，这种Shader目前只有百分之1的牛逼哄哄的显卡可以支持。
比较明智的做法是，把这套采用最前沿技术的Shader作为我们众多SubShader的其中的一员，然后还得准备一堆Plan B，应对其他硬件上的运行。也就是说，我们为所期望的采用最新技术的效果编写一个子着色器，然后为之前古老的显卡再编制一些备用的着色器。这些子着色器能选择使用更低层次的方式来实现我们的效果，或者选择放弃实现某些细节，确保无论在什么机器上跑，都能够运行出正确的效果。虽然这些效果会有一些细微的差别，因为使用的SubShader是不一样的，但却保证了我们的Shader在任何机器上都跑得起来。
PS:在实际进行表面着色器的开发时，我们就是直接在SubShader这个层次上写代码，系统会将把我们的代码编译成若干个合适的Pass。
用一个实例代码来说明吧。
我们在Project面板中右键->Create->Shader。新建一个Shader文件，然后双击打开，删掉原先代码，分分钟，我们按照上文的讲解，对照着图示，就可以写出如下框架的Shader代码来：
Shader "浅墨Shader编程/0.Shader框架示例" { //-------------------------------【属性】----------------------------------------- Properties { //纹理 _MainTex("基本纹理",2D)="White"{TexGen ObjectLinear} } //---------------------------------【子着色器1】---------------------------------- SubShader { //----------------通道--------------- Pass { //设置纹理为属性中选择的纹理 SetTexture[_MainTex]{combine texture} } } //---------------------------------【备胎】---------------------------------------- //备胎设为Unity自带的普通漫反射 Fallback" Diffuse " }
解释起来就是：
1.着色器通过properties来可选的定义一个可通过材质设定界面来自定义的列表。具体到上述代码中写的Properties，就是定义了一个基本属性，参数名叫做_MainTex，在编辑器中显示的名称叫做“基本纹理”， 且纹理生成模式为ObjectLinear。
2.后面紧跟着核心部分子着色器SubShader，里面的一个Pass里面设置了纹理为我们属性中定义的那个_ MainTex。
3.添加一句Fallback代码用于应对我们Shader中的SubShader不能正确运行的情况。
需要注意的是，SubShader在UnityShader的代码段中必须有且至少有一个，而properties和fallback对于追求简单的Shader，是可以不写出来的。而复杂一点的Shader，当然各种properties、fallback什么的肯定都有，甚至有多个SubShader，而每个SubShader中又有多个Pass。
这个框架程序我们后面写新的Shader的时候就可以直接复制然后粘贴，接着在Properties中添加新的属性，SubShader中填充新的Pass以及开辟新的SubShader就行，就像做填空题一样。
五、Properties 属性相关内容讲解
下面，我们详细地来看一看作为Shader框架中三大组成部分之一的Properties属性的相关内容。
properties一般定义在着色器的起始部分，我们可以在Shader书写的时候定义多种多样的属性，而使用Shader的时候可以直接在材质检视面板(Material Inspector)里编辑这些属性，取不同的值或者纹理。这可以说是Unity贴心&可见即所得的又一体现吧。
以Unity自带的BasicVertex Lighting 基本顶点光照为例，一张很直观的图就是这样:
需要注意，Properties块内的语法都是单行的。每个属性都是由内部名称开始，后面括号中是显示在检视面板(Inspector)中的名字和该属性的类型。等号后边跟的是默认值。
5.1 Properties属性 相关代码写法列举
这一小节我们列举Unity中Shader的Properties属性相关语法参考，可以在需要时进行查阅：
Properties { Property [Property ...] }
定义属性块，其中可包含多个属性，其定义如下：
name ("display name", Range (min, max)) =number
定义浮点数属性，在检视器中可通过一个标注最大最小值的滑条来修改。
name ("display name", Color) =(number,number,number,number)
定义颜色属性
name ("display name", 2D) = "name" {options }
定义2D纹理属性
name ("display name", Rect) = "name"{ options }
定义长方形（非2次方）纹理属性
name ("display name", Cube) = "name"{ options }
定义立方贴图纹理属性
name ("display name", Float) = number
定义浮点数属性
name ("display name", Vector) =(number,number,number,number)
定义一个四元素的容器(相当于Vector4)属性
5.2 一些细节说明
- 包含在着色器中的每一个属性通过name索引（在Unity中, 通常使用下划线来开始一个着色器属性的名字）。属性会将display name显示在材质检视器中，还可以通过在等符号后为每个属性提供缺省值。
- 对于Range和Float类型的属性只能是单精度值。
- 对于Color和Vector类型的属性将包含4个由括号围住的数描述。
- 对于纹理(2D, Rect, Cube) 缺省值既可以是一个空字符串也可以是某个内置的缺省纹理："white", "black", "gray" or"bump"
- 随后在着色器中，属性值通过[name]来访问。
接着，让我们看一个示例，了解属性Properties的实际用法：
Shader "浅墨Shader编程/SimpleWater" { Properties{ //properties for water shader //水着色器的属性 _WaveScale("Wave scale", Range (0.02,0.15)) = 0.07 // 滑动条 _ReflDistort("Reflection distort", Range (0,1.5)) = 0.5 _RefrDistort("Refraction distort", Range (0,1.5)) = 0.4 _RefrColor("Refraction color", Color) =(.34, .85, .92, 1) // 颜色 _ReflectionTex("Environment Reflection", 2D) = "" {} // 纹理 _RefractionTex("Environment Refraction", 2D) = "" {} _Fresnel("Fresnel (A) ", 2D) = "" {} _BumpMap("Bumpmap (RGB) ", 2D) = "" {} } //后续代码省略 ……… }
5.3 关于纹理属性选项
纹理属性在本文的第一个示例中就有用到，这里先再贴一遍2D纹理属性的写法：
name ("display name", 2D) ="name" { options }
需要注意的是，包含在纹理属性的大括号中的选项Options是可选的。可能的选项有如下：
TexGen纹理生成类型。即纹理的自动生成纹理坐标时的模式，可以是ObjectLinear, EyeLinear,SphereMap, CubeReflect, CubeNormal的其中之一;这些模式和OpenGL纹理生成模式相对应。注意如果使用自定义顶点程序，那么纹理生成将被忽略。
LightmapMode 光照贴图模式。如果我们给出这个选项，纹理将能被渲染器的光线贴图属性所影响。纹理不能被使用在材质中，而是取自渲染器的设定。这个我们以后会讲到。
六、光照、材质与颜色相关内容讲解
灯光和材质参数常常被用来控制内置的顶点光照。而Unity中的顶点光照也就是Direct3D/OpenGL标准的按每顶点计算的光照模型—— 光照打开时，光照受材质块，颜色材质和平行高光命令的影响。
我们来一起看一看光照、材质与颜色具体的语法。
这里讲到的都是采用固定功能渲染的代码写法，以及一些控制选项。讲得有些细了，不用一次全记住，需要的时候回过头来进行查阅就行了。
6.1 用于通道Pass中的代码写法列举
这些代码一般是写在Pass{ }中的，细节如下：
Color Color
设定对象的纯色。颜色即可以是括号中的四值（RGBA），也可以是被方框包围的颜色属性名。
Material { Material Block }
材质块被用于定义对象的材质属性。
Lighting On | Off
开启光照，也就是定义材质块中的设定是否有效。想要有效的话必须使用Lighting On命令开启光照，而颜色则通过Color命令直接给出。
SeparateSpecular On | Off
开启独立镜面反射。这个命令会添加高光光照到着色器通道的末尾，因此贴图对高光没有影响。只在光照开启时有效。
ColorMaterial AmbientAndDiffuse | Emission
使用每顶点的颜色替代材质中的颜色集。AmbientAndDiffuse 替代材质的阴影光和漫反射值;Emission 替代 材质中的光发射值。
6.2 材质块Material Block 中相关代码写法列举
如下这些代码的使用的地方是在SubShader中的一个Pass{ }中新开一个Material{ }块，在这个Material{ }块中进行这些语句的书写。这些代码包含了包含材质如何和光线产生作用的一些设置。这些属性默认为值都被设定为黑色（也就是说不产生作用），也就是说他们一般情况下可以被忽略。当然，还是有很多时候需要使用到他们的。
Diffuse Color(R,G,B,A)
漫反射颜色构成。这是对象的基本颜色。
Ambient Color(R,G,B,A)
环境色颜色构成.这是当对象被RenderSettings.中设定的环境色所照射时对象所表现的颜色。
Specular Color(R,G,B,A)
对象反射高光的颜色。(R,G,B,A)四个分量分别代表红绿蓝和Alpha，取值为0到1之间。
Shininess Number
加亮时的光泽度，在0和1之间。0的时候你会发现更大的高亮也看起来像漫反射光照，1的时候你会获得一个细微的亮斑。
Emission Color
自发光颜色，也就是当不被任何光照所照到时，对象的颜色。(R,G,B,A)四个分量分别代表红绿蓝和Alpha，取值为0到1之间。
而打在对象上的完整光照颜色最终是：
FinalColor=
Ambient * RenderSettings ambientsetting + (Light Color * Diffuse + Light Color *Specular) + Emission
翻译过来的中文式子便是：
最终颜色=环境光反射颜色* 渲染设置环境设置 *（灯光颜色*漫反射颜色+灯光颜色*镜面反射颜色）+自发光
知道了这个式子，我们就知道了，在各种光的综合作用下，我们材质最终的颜色是怎么来的了。
需要注意的是：方程式的灯光部分（也就是带括号的部分）对所有打在对象上的光线都是重复使用的。而我们在写Shader的时候常常会将漫反射和环境光光保持一致（所有内置Unity着色器都是如此）。
七、Shader书写实战
上面讲了一堆一堆的概念，估计大家一遍看下来头都大了。没关系，让我们看一些示例Shader的写法，弄清楚上面这一堆堆的概念是如何应用的。
1.单色Shader
首先，用上文讲到的Color命令，写出一个有效代码仅仅四行的袖珍Shader：
Shader"浅墨Shader编程/1.基础单色" { //---------------------------------【子着色器】---------------------------------- SubShader { //----------------通道--------------- Pass { //设为蓝色单色 Color(0,0,0.6,0) } } }
此Shader编译后赋给材质的效果如下：
2.材质颜色&开启光照的Shader
同样的，我们可以在Pass中加上材质块Material，在其中将将材质的漫反射和环境光反射颜色设为相同，并且在该Pass中开启光照：
Shader"浅墨Shader编程/2.材质颜色设置&开启光照" { //---------------------------------【子着色器1】---------------------------------- SubShader { //----------------通道--------------- Pass { //----------材质------------ Material { //将漫反射和环境光反射颜色设为相同 Diffuse(0.9,0.5,0.4,1) Ambient(0.9,0.5,0.4,1) } //开启光照 Lighting On } } }
此Shader编译后赋给材质的效果如下：
3.可调漫反射光的Shader
在上面Shader的基础上，我们引入一个color属性，于是就得到了如下可调漫反射光颜色的Shader：
Shader "浅墨Shader编程/3.简单的可调漫反射光照" { //-------------------------------【属性】----------------------------------------- Properties { _MainColor ("主颜色", Color) = (1,.1,.5,1) } //---------------------------------【子着色器】---------------------------------- SubShader { //----------------通道--------------- Pass { //-----------材质------------ Material { //可调节的漫反射光和环境光反射颜色 Diffuse [_MainColor] Ambient[_MainColor] } Lighting On } } }
此Shader编译后赋给材质的效果如下：
4.光照材质完备beta版Shader
我们把余下的Material属性补上，便有了此光照材质完备beta版的shader：
Shader "浅墨Shader编程/4.光照材质完备beta版Shader" { //-------------------------------【属性】----------------------------------------- Properties { _Color ("主颜色", Color) = (1,1,1,0) _SpecColor ("反射高光颜色", Color) = (1,1,1,1) _Emission ("自发光颜色", Color) = (0,0,0,0) _Shininess ("光泽度", Range (0.01, 1)) = 0.7 } //---------------------------------【子着色器】---------------------------------- SubShader { //----------------通道--------------- Pass { //-----------材质------------ Material { //可调节的漫反射光和环境光反射颜色 Diffuse [_Color] Ambient [_Color] //光泽度 Shininess [_Shininess] //高光颜色 Specular [_SpecColor] //自发光颜色 Emission [_Emission] } //开启光照 Lighting On } } }
此Shader编译后赋给材质的效果如下，可以自由定制的选项多了不少：
5.简单的纹理载入Shader
然后我们看一个简单的纹理载入Shader的写法：
Shader "浅墨Shader编程/5.简单的纹理载入Shader" { //-------------------------------【属性】----------------------------------------- Properties { //纹理 _MainTex("基本纹理",2D)="White"{TexGen SphereMap} } //---------------------------------【子着色器1】---------------------------------- SubShader { //----------------通道--------------- Pass { //设置纹理为属性中选择的纹理 SetTexture[_MainTex]{combine texture} } } //---------------------------------【备胎】---------------------------------------- //备胎设为Unity自带的普通漫反射 Fallback" Diffuse " }
此Shader编译后赋给材质的效果如下：
需要注意，这里用到了一点纹理生成的内容，具体用法我们下次再细讲。
