Version: 2020.3
Example shaders
表面着色器和渲染路径

编写表面着色器

在内置渲染管线中,表面着色器是编写与光照交互的着色器的一种简化方式。

渲染管线兼容性

功能名称 内置渲染管线 通用渲染管线 (URP) 高清渲染管线 (HDRP) 自定义 SRP
表面着色器

有关在 URP 中创建 Shader 对象的简化方法,请参阅 Shader Graph


有关在 HDRP 中创建 Shader 对象的简化方法,请参阅 Shader Graph

概述

编写与光照交互的着色器非常复杂。有不同的光源类型,不同的阴影选项,不同的渲染路径(前向和延迟渲染);着色器应该以某种方式应对所有这些复杂性。

表面着色器是一种代码生成方法,与使用低级顶点/像素着色器程序相比,可以更轻松地编写光照着色器。

如需了解示例,请查看表面着色器示例表面着色器自定义光照示例

工作原理

您可以定义一个“表面函数”,它将您需要的所有 UV 或数据作为输入,并填充输出结构 SurfaceOutput。SurfaceOutput 基本上描述了_表面的属性_(反照率颜色、法线、发光、镜面反射等)。您需要使用 HLSL 编写此代码。

表面着色器编译器随后计算出需要的输入、填充的输出等等,并生成实际的顶点和像素着色器以及渲染通道来处理前向和延迟渲染。

以下是表面着色器的标准输出结构:

struct SurfaceOutput
{
    fixed3 Albedo;  // 漫射颜色
    fixed3 Normal;  // 切线空间法线(如果已写入)
    fixed3 Emission;
    half Specular;  // 0..1 范围内的镜面反射能力
    fixed Gloss;    // 镜面反射强度
    fixed Alpha;    // 透明度 Alpha
};

在 Unity 5 中,表面着色器还可以使用基于物理的光照模型。内置标准光照模型和标准镜面反射光照模型(见下文)分别使用以下输出结构:

struct SurfaceOutputStandard
{
    fixed3 Albedo;      // 基础(漫射或镜面反射)颜色
    fixed3 Normal;      // 切线空间法线(如果已写入)
    half3 Emission;
    half Metallic;      // 0=非金属,1=金属
    half Smoothness;    // 0=粗糙,1=平滑
    half Occlusion;     // 遮挡(默认为 1)
    fixed Alpha;        // 透明度 Alpha
};
struct SurfaceOutputStandardSpecular
{
    fixed3 Albedo;      // 漫射颜色
    fixed3 Specular;    // 镜面反射颜色
    fixed3 Normal;      // 切线空间法线(如果已写入)
    half3 Emission;
    half Smoothness;    // 0=粗糙,1=平滑
    half Occlusion;     // 遮挡(默认为 1)
    fixed Alpha;        // 透明度 Alpha
};

示例

请参阅表面着色器示例表面着色器自定义光照示例表面着色器曲面细分页面。

表面着色器编译指令

就像任何其他着色器一样,表面着色器放置在 CGPROGRAM..ENDCG 代码块内。不同之处在于:

  • 它必须放在 SubShader 代码块内,不能在 Pass 内。表面着色器本身将编译为多个通道。
  • 它使用 #pragma surface ... 指令来指示自己是表面着色器。

#pragma surface 指令为:

# pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]

必需参数

  • surfaceFunction - 具有表面着色器代码的 Cg 函数。该函数的格式应为 void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o),其中 Input 是您定义的结构。Input 应包含表面函数所需的任何纹理坐标和额外自动变量。
  • lightModel - 要使用的光照模型。内置光照模型是基于物理的 StandardStandardSpecular,以及简单的非基于物理的 Lambert(漫射)和 BlinnPhong(镜面反射)。请参阅自定义光照模型页面以了解如何编写自己的光照模型。
    • Standard 光照模型使用 SurfaceOutputStandard 输出结构,并与 Unity 中的标准(金属性工作流)着色器匹配。
    • StandardSpecular 光照模型使用 SurfaceOutputStandardSpecular 输出结构,并与 Unity 中的标准(镜面反射设置)着色器匹配。
    • LambertBlinnPhong 光照模型不是基于物理的(来自 Unity 4.x),但使用这两个光照模型的着色器在低端硬件上可以提高渲染速度。

可选参数

透明度和 Alpha 测试alphaalphatest 指令控制。透明度通常可以有两种:传统的 Alpha 混合(用于淡出对象)或更符合物理规律的“预乘混合”(允许半透明表面保留适当的镜面反射)。启用半透明度会使生成的表面着色器代码包含混合命令;而启用 Alpha 镂空将根据给定的变量在生成的像素着色器中执行片元废弃。

  • alphaalpha:auto - 对于简单的光照函数,将选择淡化透明度(与 alpha:fade 相同);对于基于物理的光照函数,将选择预乘透明度(与 alpha:premul 相同)。
  • alpha:blend - 启用 Alpha 混合。
  • alpha:fade - 启用传统淡化透明度。
  • alpha:premul - 启用预乘 Alpha 透明度。
  • alphatest:VariableName - 启用 Alpha 镂空透明度。剪切值位于具有 VariableName 的浮点变量中。您可能还想使用 addshadow 指令生成正确的阴影投射物通道。
  • keepalpha - 默认情况下,无论输出结构的 Alpha 输出是什么,或者光照函数返回什么,不透明表面着色器都将 1.0(白色)写入 Alpha 通道。使用此选项可以保持光照函数的 Alpha 值,即使对于不透明的表面着色器也是如此。
  • decal:add - 附加贴花着色器(例如 terrain AddPass)。这适用于位于其他表面之上并使用附加混合的对象。请参阅表面着色器示例
  • decal:blend - 半透明贴花着色器。这适用于位于其他表面之上并使用 Alpha 混合的对象。请参阅表面着色器示例

自定义修改器函数可用于更改或计算传入的顶点数据,或更改最终计算的片元颜色。

  • vertex:VertexFunction - 自定义顶点修改函数。在生成的顶点着色器的开始处调用此函数,并且此函数可以修改或计算每顶点数据。请参阅表面着色器示例
  • finalcolor:ColorFunction - 自定义最终颜色修改函数。请参阅表面着色器示例
  • finalgbuffer:ColorFunction - Custom deferred path for altering G-buffer content.
  • finalprepass:ColorFunction - 自定义预通道基本路径。

阴影和曲面细分 - 可以提供其他指令来控制阴影和曲面细分的处理方式。

  • addshadow - 生成阴影投射物通道。常用于自定义的顶点修改,以便阴影投射也可以获得程序化顶点动画。通常情况下,着色器不需要任何特殊的阴影处理,因为它们可以通过回退机制来使用阴影投射物通道。
  • fullforwardshadows - 支持前向渲染路径中的所有光源阴影类型。默认情况下,着色器仅支持前向渲染中来自一个方向光的阴影(以节省内部着色器变体数量)。如果在前向渲染中需要点光源阴影或聚光灯阴影,请使用此指令。
  • tessellate:TessFunction - 使用 DX11 GPU 曲面细分;该函数计算曲面细分因子。有关详细信息,请参阅表面着色器曲面细分

代码生成选项 - 默认情况下,生成的表面着色器代码会尝试处理所有可能的光照/阴影/光照贴图情况。但是在某些情况下,您知道您不需要其中的一部分,可以调整生成的代码以跳过它们。这样可以减小着色器,从而提高加载速度。

  • exclude_path:deferredexclude_path:forwardexclude_path:prepass - 不为给定的渲染路径(分别对应延迟着色路径、前向路径和旧版延迟路径)生成通道。
  • noshadow - 禁用此着色器中的所有阴影接受支持。
  • noambient - 不应用任何环境光照或光照探针。
  • novertexlights - 在前向渲染中不应用任何光照探针或每顶点光源。
  • nolightmap - 禁用此着色器中的所有光照贴图支持。
  • nodynlightmap - 禁用此着色器中的运行时动态全局光照支持。
  • nodirlightmap - 禁用此着色器中的方向光照贴图支持。
  • nofog - 禁用所有内置雾效支持。
  • nometa - 不生成“Meta”通道(由光照贴图和动态全局光照用于提取表面信息)。
  • noforwardadd - 禁用前向渲染附加通道。这会使着色器支持一个完整方向光,所有其他光源均进行每顶点/SH 计算。也能减小着色器。
  • nolppv - 禁用此着色器中的光照探针代理体支持。
  • noshadowmask - 为此着色器禁用阴影遮罩支持(包括 ShadowmaskDistance Shadowmask)。

其他选项

  • softvegetation - 仅在开启 Soft Vegetation 时才渲染表面着色器。
  • 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。这可以使像素着色器更快,但会额外消耗一个纹理插值器。
  • halfasview - 将半方向矢量传入光照函数而不是视图方向。计算半方向并按每个顶点对其进行标准化。这更快,但并不完全正确。
  • approxview - 在 Unity 5.0 中已删除。请改用 interpolateview
  • dualforward - 在前向渲染路径中使用双光照贴图。
  • dithercrossfade - 使表面着色器支持抖动效果。然后,可将此着色器应用于使用细节级别组 (LOD Group) 组件(配置为交叉淡入淡出过渡模式)的游戏对象。

要了解与上述不同选项的具体区别,使用着色器检视面板 (Shader Inspector) 中的“Show Generated Code”按钮会很有帮助。

表面着色器输入结构

输入结构 Input 通常具有着色器所需的所有纹理坐标。纹理坐标必须命名为“uv”后跟纹理名称的形式(如果要使用第二个纹理坐标集,则以“uv2”开头)。

可以放入输入结构的其他值:

  • float3 viewDir - 包含视图方向,用于计算视差效果、边缘光照等等。
  • 具有 COLOR 语义的 float4 - 包含插值的每顶点颜色。
  • float4 screenPos - 包含反射或屏幕空间效果的屏幕空间位置。请注意,这不适合 GrabPass;您需要使用 ComputeGrabScreenPos 函数自己计算自定义 UV。
  • float3 worldPos - 包含世界空间位置。
  • float3 worldRefl - 在_表面着色器不写入 o.Normal_ 的情况下,包含世界反射矢量。有关示例,请参阅反光漫射 (Reflect-Diffuse) 着色器。
  • float3 worldNormal - 在_表面着色器不写入 o.Normal_ 的情况下,包含世界法线矢量。
  • float3 worldRefl; INTERNAL_DATA - 在_表面着色器写入 o.Normal_ 的情况下,包含世界反射矢量。要获得基于每像素法线贴图的反射矢量,请使用 WorldReflectionVector (IN, o.Normal)。有关示例,请参阅反光凹凸 (Reflect-Bumped) 着色器。
  • float3 worldNormal; INTERNAL_DATA - 在_表面着色器写入 o.Normal_ 的情况下,包含世界法线矢量。要获得基于每像素法线贴图的法线矢量,请使用 WorldNormalVector (IN, o.Normal)

表面着色器和 DirectX 11 HLSL 语法

目前,表面着色器编译管线的某些部分不能理解 DirectX 11 特有的 HLSL 语法,因此如果您正在使用 HLSL 功能,如 StructuredBuffers、RWTextures 和其他非 DX9 语法,需要将其包装到仅限 DX11 的预处理器宏中。

有关详细信息,请参阅平台特定差异使用 HLSL 页面。

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