【Unity3D】固定管线着色器一

1 前言

        着色器（Shader）是渲染管线中最重要的一环，Unity3D 底层基于 OpenGL 实现，读者可以通过 渲染管线 了解 Unity3D 渲染流程。

        OpenGL 1.x 为固定管线，2.x 之后才支持可编程管线，Unity3D 固定管线着色器使用 ShaderLab 语言实现。ShaderLab 是 Unity Shader 的服务语言，是基于命令的语言。

        每个游戏对象需要绑定至少一个材质（Material）才能渲染，即使材质为 None，系统也会绑定一个默认的材质。每个材质都需要绑定一个Shader，系统一般默认绑定 Standard Shader，用户也可以绑定到自定义的 Shader 上。当用户创建好 Material 和 Shader 后，选中 Material，在 Inspector 窗口通过如下方式绑定到自定义 Shader 上：

2  Shader 代码框架

        在 Assets 窗口右键，依次选择【Create→Shader→Unity Shader】创建 Shader 脚本，其代码框架如下：

        FixedShader.shader

Shader "MyShader/ShaderTest"
{Properties{// 定义外部属性}SubShader{Pass{Color(1, 0, 0, 1) // 固定渲染颜色}}Fallback "Diffuse"
}

        将 ShaderTest 绑定到一个 Material 上，并将该 Material 拖拽到一个 Cube 和 Sphere 游戏对象上，显示效果如下:

3 Shader 外部属性

        1）定义外部属性

        在 Properties 模块中可以定义外部属性如下：

Properties
{// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值_FloatValue ("浮点数", Float) = 0.4_RangeValue ("浮点数范围", Range(0, 1)) = 0.5_VectorValue ("四维数", Vector) = (1, 2, 3, 4)_ColorValue ("颜色", Color) = (1, 0, 0, 1)_Texture2D ("2阶贴图", 2D) = "white" {}_TextureRect ("非二阶贴图", Rect) = "white" {}_TextureCube ("立方体贴图", Cube) = "" {}
}

        选中绑定的 Material，查看 Inspector 窗口如下，用户可以在这里调整 Properties 里定义的变量的值。

        2）使用外部属性

        在 Pass 模块，用户可以通过 "[属性名]" 使用 Properties 里定义的变量，如下：

Pass
{Color[_ColorValue]Color([_ColorR], [_ColorG], [_ColorB], [_ColorA])
}

        3）案例

        FixedShader.shader 

Shader "MyShader/ShaderTest"
{Properties{// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值_ColorR ("Color_R", Range(0, 1)) = 0.5_ColorG ("Color_G", Range(0, 1)) = 0.5_ColorB ("Color_B", Range(0, 1)) = 0.5_ColorA ("Color_A", Range(0, 1)) = 0.5}SubShader{Pass{Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // Alpha混合Color([_ColorR], [_ColorG], [_ColorB], [_ColorA])}}Fallback "Diffuse"
}

        4）代码控制外部属性

        在 MonoBehaviour 脚本组件中获取和保存 Shader 中变量值的方法如下：

private void GetColor() { // 获取颜色color[0] = meshRenderer.material.GetFloat("_ColorR");color[1] = meshRenderer.material.GetFloat("_ColorG");color[2] = meshRenderer.material.GetFloat("_ColorB");color[3] = meshRenderer.material.GetFloat("_ColorA");
}private void SaveColor() { // 保存颜色meshRenderer.material.SetFloat("_ColorR", color[0]);meshRenderer.material.SetFloat("_ColorG", color[1]);meshRenderer.material.SetFloat("_ColorB", color[2]);meshRenderer.material.SetFloat("_ColorA", color[3]);
}

        说明：_ColorR、_ColorG、_ColorB、_ColorA 是 Shader 中定义的 Range 类型外部属性。  

        5）代码控制纹理缩放和偏移

        在 Shader 中定义 2D 类型外部属性，选中 Material 后，在 Inspector 窗口可以看到出现了 Tiling 和 Offset 属性，如下，这两个属性分别用于纹理缩放和偏移。

        在 MonoBehaviour 脚本组件中设置纹理缩放和偏移的方法如下：

meshRenderer.material.SetTexture("_Texture2D", texture) // 设置纹理
meshRenderer.material.SetTextureScale("_Texture2D", new Vector2(2, 2)) // 设置Tiling
meshRenderer.material.SetTextureOffset("_Texture2D", new Vector2(Time.time, 0)) // 设置Offset

        说明：_Texture2D 是 Shader 中定义的 2D 类型外部属性。

4 光照

        光照原理见→Blinn改进的冯氏光照模型。

        FixedShader.shader 

Shader "MyShader/ShaderTest"
{Properties{// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值_AmbientColor ("环境光颜色", Color) = (1, 1, 1, 1)_DiffuseColor ("漫反射光颜色", Color) = (1, 1, 1, 1)_SpecularColor ("镜面反射光颜色", Color) = (1, 1, 1, 1)_EmissionColor ("自发光颜色", Color) = (1, 1, 1, 1)_Shininess ("光泽度", Range(0, 1)) = 0.5}SubShader{Pass{Lighting On // 开启顶点光照SeparateSpecular On // 开启镜面反射光照Material{Ambient[_AmbientColor] // 环境光颜色Diffuse[_DiffuseColor] // 漫反射光颜色Specular[_SpecularColor] // 镜面反射光颜色// Emission[_EmissionColor] // 自发光颜色Shininess[_Shininess] // 光泽度, 用于调整镜面反射范围}}}Fallback "Diffuse"
}

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口调整 Shader 中光照颜色，显示效果如下：

5 贴图

        1）贴图简单应用

        FixedShader.shader 

Shader "MyShader/ShaderTest"
{Properties{// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值_Texture2D ("2阶贴图", 2D) = "white" {}}SubShader{Pass{SetTexture[_Texture2D]{Combine Texture}}}Fallback "Diffuse"
}

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择贴图图片，显示效果如下：

        2）贴图与固定颜色混合

        FixedShader.shader 

Shader "MyShader/ShaderTest"
{Properties{// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值_ConstantColor ("固定颜色", Color) = (1, 1, 1, 1)_Texture2D ("2阶贴图", 2D) = "white" {}}SubShader{Pass{SetTexture[_Texture2D]{// 可以用"+"号, 也可以用"*"号, "+"号偏亮, "*"号偏暗, 可以使用Double(2倍数)、Quad(4倍)调整亮度ConstantColor[_ConstantColor]Combine Texture + Constant // Constant指上面的固定颜色}}}Fallback "Diffuse"
}

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择贴图图片，并调整固定颜色，显示效果如下：

        3）贴图与光照混合

        FixedShader.shader 

Shader "MyShader/ShaderTest"
{Properties{// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值_DiffuseColor ("漫反射光颜色", Color) = (1, 1, 1, 1)_Texture2D ("2阶贴图", 2D) = "white" {}}SubShader{Pass{Lighting On // 开启顶点光照Material{Diffuse[_DiffuseColor] // 漫反射光颜色}SetTexture[_Texture2D]{// 可以用"+"号, 也可以用"*"号, "+"号偏亮, "*"号偏暗, 可以使用Double(2倍数)、Quad(4倍)调整亮度Combine Texture * Primary Quad // Primary指上面的Material}}}Fallback "Diffuse"
}

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择贴图图片，并调整漫反射颜色，显示效果如下：

        4）多图混合

        FixedShader.shader 

Shader "MyShader/ShaderTest"
{Properties{// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值_MainTexture2D ("主贴图", 2D) = "white" {}_SecondTexture2D ("次贴图", 2D) = "white" {}}SubShader{Pass{SetTexture[_MainTexture2D]{Combine Texture}SetTexture[_SecondTexture2D]{// 可以用"+"号, 也可以用"*"号, "+"号偏亮, "*"号偏暗, 可以使用Double(2倍数)、Quad(4倍)调整亮度Combine Texture * Previous Double // Previous指上面的_MainTexture2D}}}Fallback "Diffuse"
}

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择 2 个贴图图片，显示效果如下：

         5）多图渐变混合

        FixedShader.shader 

Shader "MyShader/ShaderTest"
{Properties{// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值_MainTexture2D ("主贴图", 2D) = "white" {}_SecondTexture2D ("次贴图", 2D) = "white" {}_Lerp ("插值", Range(0, 1)) = 0.5}SubShader{Pass{SetTexture[_MainTexture2D]{Combine Texture}SetTexture[_SecondTexture2D]{ConstantColor(0, 0, 0, [_Lerp])Combine Texture lerp(Constant) Previous // Previous指上面的_MainTexture2D}}}Fallback "Diffuse"
}

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择 2 个贴图图片。

        LerpController.cs

using UnityEngine;public class LerpController : MonoBehaviour {private MeshRenderer meshRenderer;private float lerp;private float increateSpeed = 0.15f;private void Start () {meshRenderer = GetComponent();lerp = meshRenderer.material.GetFloat("_Lerp");}private void Update () {OperateLerp();}private void OperateLerp() { // 操作插值float ver = Input.GetAxis("Vertical");if (Mathf.Abs(ver) > 0.1) {lerp = Camp(lerp + ver * increateSpeed * Time.deltaTime, 0, 1);meshRenderer.material.SetFloat("_Lerp", lerp);}}private float Camp(float value, float min, float max) {return Mathf.Max(Mathf.Min(value, max), min);}
}

        将 LerpController 脚本组件挂在 Cube 和 Sphere 上，运行后通过↑ ↓ 按键调整插值比例，效果如下：

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