Unity Shader编程进阶：掌握高阶渲染强大的技术 C# 实战案例

Unity Shader编程完全入门指南：从零到实战 C#

本文将深入探讨Unity Shader编程的高级技术，包括自定义光照模型、后处理效果、GPU实例化、表面着色器深度应用等，帮助开发者提升渲染效果与性能优化能力。
提示：内容纯个人编写，欢迎评论点赞。

1. 高级光照模型

1.1 光照模型理论基础

光照模型描述了光与物体表面相互作用的数学表示：

Phong模型：环境光+漫反射+高光反射

I = I_ambient + I_diffuse + I_specular

BRDF（双向反射分布函数）：更精确的物理模型

1.2 实现PBR光照

基于物理的渲染（PBR）核心公式：

// Unity Standard BRDF
half4 BRDF_Unity_PBS(
half3 diffColor, half3 specColor, half oneMinusReflectivity, half smoothness,
float3 normal, float3 viewDir,
Light light, InputData data
) {
// ... PBR计算过程
}

完整PBR表面着色器示例：

Shader "Custom/PBRShader"
{
Properties {
_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
_Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
_Smoothness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
_NormalMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {
}
}
SubShader {
Tags {
"RenderType"="Opaque"
}
CGPROGRAM
#pragma surface surf Standard fullforwardshadows
struct Input {
float2 uv_NormalMap;
};
half _Metallic;
half _Smoothness;
half4 _Color;
sampler2D _NormalMap;
void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
o.Albedo = _Color.rgb;
o.Metallic = _Metallic;
o.Smoothness = _Smoothness;
o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap));
}
ENDCG
}
FallBack "Diffuse"
}

1.3 自定义卡通光照

// 卡通光照函数
void LightingRamp_GI (
SurfaceOutput s,
UnityGIInput data,
inout UnityGI gi
) {
// ... 全局光照设置
}
void LightingRamp_CS (
SurfaceOutput s,
half3 viewDir,
UnityGI gi,
out half4 finalColor
) {
// 离散化处理
half NdotL = dot(s.Normal, gi.light.dir);
half ramp = ceil(NdotL * _RampSteps) / _RampSteps;
// 最终颜色
finalColor.rgb = s.Albedo * gi.light.color * ramp;
finalColor.a = s.Alpha;
}

2. 后处理效果处理

2.1 后处理原理

后处理在渲染完成后对屏幕图像进行处理：

渲染场景 -> 获取屏幕图像 -> 应用后处理Shader -> 输出最终图像

2.2 Bloom效果实现

// Bloom效果Shader核心
half4 frag_bloom (v2f i) : SV_Target
{
// 1. 亮度提取
half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
half brightness = dot(col.rgb, float3(0.2126, 0.7152, 0.0722));
if(brightness < _BloomThreshold)
return 0;
// 2. 高斯模糊
half4 blur = 0;
for(int i = 0; i < KERNEL_SIZE; i++) {
blur += _BloomKernel[i] * tex2D(_MainTex, i.uv + _BloomOffsets[i]);
}
// 3. 混合原始图像与模糊图像
return col + blur * _BloomIntensity;
}

2.3 屏幕空间环境光遮蔽(SSAO)

// SSAO核心计算
float ComputeAO(float2 uv, float3 viewNormal)
{
float ao = 0.0;
for(int i = 0; i < SAMPLE_COUNT; i++) {
float3 samplePos = GetSamplePosition(uv, i);
float sample = depthCompare(samplePos);
ao += ComputeAOContribution(viewNormal, samplePos, sample);
}
return 1.0 - (ao / SAMPLE_COUNT) * _AOIntensity;
}

3. 表面着色器深度应用

3.1 表面函数高级用法

void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
{
// 世界坐标计算
float3 worldPos = IN.worldPos;
// 三平面贴图混合
float3 triblend = pow(abs(IN.worldNormal), _BlendSharpness);
triblend /= dot(triblend, float3(1,1,1));
half4 colX = tex2D(_MainTex, IN.worldPos.yz);
half4 colY = tex2D(_MainTex, IN.worldPos.xz);
half4 colZ = tex2D(_MainTex, IN.worldPos.xy);
o.Albedo = colX * triblend.x + colY * triblend.y + colZ * triblend.z;
}

3.2 自定义顶点修改

#pragma surface surf Lambert vertex:vert
void vert (inout appdata_full v, out Input o)
{
UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input, o);
// 顶点波浪动画
float wave = sin(_Time.y + v.vertex.x * _WaveFreq);
v.vertex.y += wave * _WaveAmp;
// 传递世界坐标
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
}

3.3 多光源支持

#pragma surface surf Standard fullforwardshadows
#pragma multi_compile_fwdadd
void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
{
// 表面函数
}
// 额外光源处理
#ifdef _ADDITIONAL_LIGHTS
uint pixelLightCount = GetAdditionalLightsCount();
for (uint lightIndex = 0; lightIndex < pixelLightCount; lightIndex++) {
Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, IN.worldPos);
// 光源贡献计算
}
#endif

4. GPU实例化优化

4.1 实例化原理

GPU实例化允许一次性绘制多个相同网格，减少Draw Call：

常规绘制： Draw Call 1 -> 网格1
Draw Call 2 -> 网格1
...
实例化： Draw Call 1 -> 网格1 (实例1, 实例2, ...)

4.2 静态批处理 vs GPU实例化

4.3 实例化实战：草地渲染

Shader "Custom/InstancedGrass"
{
Properties {
/* 属性 */
}
SubShader
{
Pass
{
Tags {
"LightMode"="ForwardBase"
}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#pragma multi_compile_instancing
UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)
UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _Color)
UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float, _Height)
UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);
UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(v, o);
float height = UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(Props, _Height);
v.vertex.y += height;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(i);
return UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(Props, _Color);
}
ENDCG
}
}
}

5. Shader变体管理

5.1 变体概念

Shader变体由预编译指令组合生成：

#pragma multi_compile _ A B
#pragma multi_compile C D

5.2 变体控制技巧

精确控制：

#pragma shader_feature _ENABLE_FEATURE

跳过变体：

#pragma skip_variants POINT SPOT

5.3 变体优化策略

避免不必要的multi_compile
使用shader_feature替代multi_compile
拆分变体过多的Shader
使用变体集合(Variant Collections)

6. 计算着色器入门

6.1 计算着色器基础

#pragma kernel CSMain
RWTexture2D<float4> Result;
  [numthreads(8,8,1)]
  void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID)
  {
  // 并行计算
  Result[id.xy] = float4(id.x & id.y, (id.x &
  15)/15.0, (id.y &
  15)/15.0, 0.0);
  }

6.2 粒子系统优化

// 粒子更新计算着色器
RWStructuredBuffer<Particle> ParticleBuffer;
  [numthreads(64,1,1)]
  void UpdateParticles (uint id : SV_DispatchThreadID)
  {
  Particle p = ParticleBuffer[id];
  // 更新位置
  p.velocity += float3(0, -9.8, 0) * dt;
  p.position += p.velocity * dt;
  // 碰撞检测
  if(p.position.y <
  0) {
  p.position.y = 0;
  p.velocity.y *= -0.8;
  }
  ParticleBuffer[id] = p;
  }

6.3 通用计算应用

网格变形
物理模拟
纹理生成
光线追踪

7. 实战案例：天气系统

7.1 雨滴效果

// 雨滴表面着色器
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
{
// 雨滴法线贴图
float2 rainUV = IN.worldPos.xz * _RainScale + float2 _Time.y * _RainSpeed;
half3 rainNormal = UnpackNormal(tex2D(_RainNormalMap, rainUV));
// 混合基础法线
o.Normal = BlendNormals(o.Normal, rainNormal);
// 湿润效果
half wetFactor = saturate(_RainAmount * 2 - 1);
o.Albedo = lerp(_DryColor, _WetColor, wetFactor);
}

7.2 雪地脚印

// 脚印渲染
float3 worldPos = IN.worldPos;
float2 footprintUV = worldPos.xz - _PlayerPos.xz;
half footprint = tex2D(_FootprintMask, footprintUV).r;
// 混合雪地材质
o.Albedo = lerp(_SnowColor, _GroundColor, footprint);
o.Smoothness = lerp = lerp(_SnowSmoothness, 0.2, footprint);

7.3 动态潮湿效果

// 潮湿贴图随时间变化
float2 wetUV = IN.worldPos.xz * _WetScale;
half wetPattern = tex2D(_WetPatternMap, wetUV).r;
// 随时间增加的潮湿程度
half wetFactor = saturate(_Wetness * 2 - wetPattern);
o.Metallic = lerp(0.0, 0.8, wetFactor);
o.Smoothness = lerp(0.1, 0.9, wetFactor);

8. 性能调优与调试

8.1 Shader性能分析

GPU性能分析：

Unity Frame Debugger
RenderDoc
XCode GPU Debugger

关键指标：

Fill Rate（填充率）
Overdraw（过度绘制）
Shader复杂度

8.2 带宽优化

压缩纹理格式（ASTC, ETC2）
Mipmap优化
减少纹理采样次数
使用纹理图集

8.3 跨平台适配

// 平台相关宏
#if defined(SHADER_API_MOBILE)
// 移动端简化版
#elif defined(SHADER_API_D3D11)
// PC高级版
#endif
// 精度调整
#if defined(SHADER_API_GLES)
precision mediump float;
#else
precision highp float;
#endif

9. 总结与资源

核心进阶技术：

物理光照模型实现
后处理特效开发
GPU实例化优化
计算着色器应用

继续学习资源：

Unity官方Shader文档
Catlike Coding教程

希望本文能帮助你在Unity开发中更加得心应手！如果有任何问题，请在评论区留言讨论。
点赞收藏加关注哦~ 蟹蟹

posted @ 2025-08-11 22:56 yfceshi 阅读(19) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部

yfceshi