【Unity3D】顶点和片元着色器
1 前言
上文介绍了渲染管线、固定管线着色器和表面着色器，如下：
固定管线着色器通过命令方式实现光照和贴图等效果，表面着色器通过给 SurfaceOutput 赋值实现光照、贴图和法线贴图等效果，它们都不用关注光照算法是如何实现的，只需要传值就行。
顶点和片元着色器给用户提供了更灵活的用法，但使用也更困难。另外，顶点着色器可以通过控制 MVP 矩阵变换实现对模型位置和姿态的控制。
2 固定颜色
在 Assets 窗口右键，依次选择【Create→Shader→Standard Surface Shader】创建 Shader 脚本，实现固定颜色 Shader 代码如下：
VFShader.shader
Shader "MyShader/VFShaderTest" {
Properties
{
// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
_MainColor ("显示颜色", Color) = (1, 0, 0, 1)
}
SubShader
{
Pass
{
CGPROGRAM // CG语言的开始
// 编译指令 着色器名称 函数名称
#pragma vertex vert // 顶点着色器, 每个顶点执行一次
#pragma fragment frag // 片段着色器, 每个像素执行一次
// 导入头文件
#include "UnityCG.cginc"
// 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
fixed4 _MainColor;
// 顶点着色器
float4 vert(float4 vertex: POSITION) : SV_POSITION
{
// 将局部坐标系下坐标转换为裁剪坐标系下坐标
return UnityObjectToClipPos(vertex); // 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, vertex)
}
// 片元着色器
fixed4 frag(): COLOR
{
return _MainColor;
}
ENDCG // CG语言的结束
}
}
FallBack "Diffuse"
}
创建一个 Material，并将 ShaderTest 绑定到该 Material 上，如下：
将该 Material 拖拽到一个 Cube 和 Sphere 游戏对象上。选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口调整 Shader 中固定颜色，显示效果如下：
3 光照
1）光照原理
Phong 光照模型和 Blinn Phong 光照模型是应用比较广泛的光照模型，两者区别在与镜面反射光的计算，Phong 光照模型根据反向量和观察向量计算镜面反射光，Blinn Phong 光照模型根据半向量和法向量计算镜面反射光。
光照计算如下：
// 模型自身颜色
fixed4 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv) * _ModelColor;
// 环境光
fixed4 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT * albedo;
// 漫反射光
fixed4 diffuse = _LightColor0 * albedo * max(0, dot(normal, lightDir));
// 镜面反射光(Phong光照模型)
// fixed4 specular = _LightColor0 * _Specular * pow(max(0, dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
// 镜面反射光(Blinn Phong光照模型)
fixed4 specular = _LightColor0 * _Specular * pow(max(0, dot(normal, halfDir)), _Gloss);
// 合成颜色
fixed4 finalColor = fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
2）代码实现
VFShader.shader
Shader "MyShader/VFShaderTest" {
Properties {
_ModelColor ("Model Color", Color) = (1, 1, 1, 1) // 模型颜色
_Specular ("Specular Color", Color) = (1, 1, 1, 1) // 镜面反射颜色
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20 // 镜面反射光泽度
}
SubShader {
Tags { "RenderType"="Opaque" }
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _ModelColor; // 模型颜色
fixed4 _Specular; // 镜面反射颜色
float _Gloss; // 镜面反射光泽度
struct a2v {
float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
float3 normal : NORMAL; // 模型空间顶点法线向量
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
float3 normal : Normal; // 世界空间顶点法线向量
float3 worldPos : TEXCOORD0; // 世界空间顶点坐标
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 将模型空间法线向量变换到世界空间
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); // 将模型空间顶点坐标变换到世界空间
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 normal = normalize(i.normal); // 世界空间法线向量
fixed3 lightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // 世界空间灯光向量
fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos)); // 世界空间观察向量
fixed3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir); // 半向量
fixed3 albedo = _ModelColor; // 模型自身颜色
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT * albedo; // 环境光
fixed3 diffuse = _LightColor0 * albedo * max(0, dot(normal, lightDir)); // 漫反射光
fixed3 specular = _LightColor0 * _Specular * pow(max(0, dot(normal, halfDir)), _Gloss); // 镜面反射光(Blinn Phong光照模型)
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口调整 Shader 中光照颜色，显示效果如下：
4 贴图
VFShader.shader
Shader "MyShader/VFShaderTest" {
Properties
{
// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
_MainTex ("2阶贴图", 2D) = "white" {}
}
SubShader
{
Pass
{
Tags {"LightMode"="ForwardBase"}
CGPROGRAM // CG语言的开始
// 编译指令 着色器名称 函数名称
#pragma vertex vert // 顶点着色器, 每个顶点执行一次
#pragma fragment frag // 片段着色器, 每个像素执行一次
// 导入头文件
#include "UnityCG.cginc"
// 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
sampler2D _MainTex;
struct a2v // 顶点着色器输入结构体
{
float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
half2 texcoord : TEXCOORD0; // 纹理uv坐标
};
struct v2f // 顶点着色器输出结构体
{
float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
half2 uv : TEXCOORD0; // 纹理uv坐标
};
// 顶点着色器
v2f vert(a2v v)
{
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
o.uv = v.texcoord;
return o;
}
// 片元着色器
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
return tex2D(_MainTex, i.uv);
}
ENDCG // CG语言的结束
}
}
FallBack "Diffuse"
}
选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择贴图图片，显示效果如下：
声明：本文转自【Unity3D】顶点和片元着色器
