《Unity Shader入门精要》笔记(二) 光照初体验

第五章 开始Unity Shader学习之旅

Shader的属性是用来干嘛的？如何定义？Pass中如何使用这个属性？

属性主要是在Unity的编辑器面板显示、修改用的。定义参考UntiyShader官方文档

pass中想要使用这个属性，需要定义一个同名变量。shader中属性变量一般以下划线开始，例如

fixed4 _Color;

指定顶点、片元着色器函数

着色器代码在CGPROGRAM 和 ENDCG之间，使用CG/HLSL语言书写。 MSDN HLSL参考

CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
...
ENDCG

UNITY_MATRIX_MVP用来干嘛？ mul函数？SV_POSITION又是什么东西? SV_Target呢？

UNITY_MATRIX_MVP是内建矩阵，是从模型空间到投影空间的转换矩阵。对于每个模型来说Unity会自动计算好几个常用的矩阵，以便使用，也减少重复计算。

mul函数就是操作矩阵跟向量、矩阵的函数。MV 操作就是就由mul完成。所以

mul(UNITY_MATRIX_MVP, v)

就是坐标转换了。

SV_POSITION 是标明目标值是顶点投影到屏幕的最终位置，一个Pass里面应该只能指定一个

SV_Target也是一个语义(semantics)，这个是用来标识最终屏幕颜色的。

关于语义，参考UnityShader语义介绍 以及 MSDN语义介绍文档

DX10以后SV开头的系统数值语义，通常有特殊含义 ，如SV_POSITION标识目标值包含了可用于光栅化的变换后的坐标。

着色器为什么能做到顶点参数自定义？自定义结构体内容是如何被填充的？

Unity根据结构体中字段的语义标识来填充，能够接受的数据都是预定义好的。

顶点着色器能接受那些参数？自定义结构体如何定义？

参考UnityShader顶点着色器能输入哪些数据

POSITION

顶点坐标, typically a

float3

or

float4

.

NORMAL

法线, typically a

float3

.

TEXCOORD0

第一个uv坐标, typically

float2

,

float3

or

float4

.

TEXCOORD1

,

TEXCOORD2

and

TEXCOORD3

are the 2nd, 3rd and 4th UV coordinates, respectively.

TANGENT

切线 (used for normal mapping), typically a

float4

.

COLOR

is the per-vertex color, typically a

float4

.

// POSITION将被填充模型顶点坐标； NORMAL指定的字段将被填充法线
struct a2v {
float4 pos : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};

顶点着色器与片元着色器之间如何通信？

顶点着色器函数返回值若不是单独SV_POSITION则可以被传递给片元着色器。

TEXCOORD1很多时候用来存储的值不是uv坐标，而是一些计算需要的值，用来传递给片元着色器。 数据的传递和存储不拘一格,包括后面的法线、切线、高度贴图

要熟悉Unity提供的内置文件和变量，使用时

#include "UnityCG.cginc"

来包含目标文件中的函数变量。 参考UnityShader内建文件 以及 UnityShader中的内建函数。熟悉使用，不要重复造轮子。

如何调试Shader结果？

使用假色彩输出图像，同前面说的那样， 纹理，或者说颜色空间是着色器最好的数据存储方式，一切都是颜色。所以把要调试的数值转换成颜色输出来，就是最简单的调试方法了。

Windows上 VS2012的Graphics Debugger 参考UnityShader使用Windows上的VS2012调试

Unity自带的FrameDebug，只能简单看每一步pass的结果。

小心平台引起的语法差异

float half fixed类型的区别？

简单来说颜色类型的都使用fixed3 fixed4就没错了，half跟float现在基本没啥区别了。

参考UnityShader数据类型 以及 MSDN HLSL数据类型

小心使用分支与循环语句

分支判断语句中使用的条件变量最好是常数。

每个分支中包含的操作指令数尽可能少

分支的嵌套层数尽可能少

扩展阅读《GPU精粹2》

第六章 Unity中的基础光照

什么是光照模型？BRDF是什么东西？环境光？自发光？漫反射，高光都是个啥？

所谓光照模型就是对真实世界光照的一个数学建模。计算的比较细比较真的就叫BPS，常见的都是一些简化的数学模型，为了减少计算量。常见的Phong及Lambert以及Blinn-Phong模型。

现实世界中，我们能看到一个物体，受到的各种光线的反射、折射影响太复杂，标准光照模型把光线分为4个部分：

自发光 2. 高光反射 3. 漫反射 4. 环境光

那高光反射跟漫反射有什么区别呢？简单理解就是高光反射才是反射，漫反射应该叫散射，漫反射会把光线反射到各个方向。参考下金属的反光，就是高光了。

环境光、自发光没啥好解释的，望文知义。

漫反射、高光如何计算？

漫反射采用Lambert定律：反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比。 好，之前的数学知识开始排上用场了。n⃗ ⋅l⃗ =|n⃗ ||l⃗ |cosθ，只要N和L都是单位向量，就妥了。正式的公式如下: Clight为光线颜色，Mdiffuse为材质反射颜色

Cdiffuse=(Clight⋅Mdiffuse)max(0,n⃗ ⋅l⃗ );

高光的计算就稍微复杂一点了，主要是跟观察方向有关。如下图：



而r⃗ =2(n⃗ ⋅I⃗ )n⃗ −I⃗ 计算得出。那么这个公式到底几个意思？怎么理解呢？r⃗ +I⃗ 的结果肯定是在n⃗ 方向上，而大小为I⃗ 在n⃗ 上的投影的2倍。根据前面向量点积的公式，2(n⃗ ⋅I⃗ )就是投影的2倍了。注意计算点积是r跟v。公式如下：

cspecular=(clight⋅mspecular)max(0,v̂ ⋅r)Mgloss

另一种简化计算方法（实际是PBS中的微表面反射的简化版本），就是计算光线向量跟视线向量的中值，再与法向量点乘得到ĥ =normalize(v+I)。公式也变成了下面这样，点积部分为法向量跟ĥ ：



cspecular=(clight⋅mspecular)max(0,n̂ ⋅ĥ )Mgloss

其中使用的Mgloss，是光泽度，max(0,n̂ ⋅ĥ )Mgloss这部分的取值图像大概就是这样：



可以理解Mgloss越大，图像越陡峭，高亮范围就越小。

(顺便发现一个在线画数学图的网站)

逐顶点光照跟逐像素光照的区别？如何选择？

针对每个顶点计算一次光照，当然比每个像素都计算一遍光照要节省的多。由于逐像素光照的消耗，所以使用要谨慎了。

逐像素的效果要优于逐顶点。一般来说，最多四个光源可以使用逐像素光照，其他光源就得只使用顶点光照了。

Unity光照实践要点

Pass中设置

Tags{ "LightMode" = "ForwardBase"}

引用光照的相应头文件

#include "Lighting.cginc"

属性要使用，需要定义对应的变量，变量命名以下划线开头，如_DiffuseColor;

内建变量熟悉 UNITY_MATRIX_MVP UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT _WorldSpaceLightPos0

使用Fallback “Diffuse”

对于平行光，_WorldSpaceLightPos0就是向量，计算光照方向时，不用再减顶点或像素位置

光照在世界空间和模型空间计算有没有区别？没有。 如果嫌法线转世界空间不方便，可以简单的把光照向量转到模型空间来计算。

集中一下上面的链接：

UntiyShader官方文档

MSDN HLSL参考

HLSL内建函数列表

UnityShader语义介绍

MSDN语义介绍文档

UnityShader顶点着色器能输入哪些数据

UnityShader内建文件

UnityShader中的内建函数

UnityShader使用Windows上的VS2012调试

UnityShader数据类型

MSDN HLSL数据类型

《GPU精粹2》