Unity3d Shader篇（二）— 片元漫反射着色器解析

文章目录

前言
一、片元漫反射着色器是什么？
- 1. 片元漫反射着色器的工作原理
- 2. 顶点漫反射着色器和片元漫反射着色器的比较
- - 顶点漫反射着色器
  - - 优点：
    - 缺点：
  - 片元漫反射着色器
  - - 优点：
    - 缺点：
二、使用步骤
- 1. Shader 属性定义
- 2. SubShader 设置
- 3. 渲染 Pass
- 4. 定义结构体和顶点着色器函数
- 5. 片元着色器函数
三、效果
四、总结

前言

在 Unity 中，Shader 可以用来实现各种视觉效果。本教程将详细介绍如何编写一个基于片元漫反射的着色器，使物体的颜色根据光照和法线方向的变化而变化。

一、片元漫反射着色器是什么？

1. 片元漫反射着色器的工作原理

片元漫反射着色器（Fragment Diffuse Shader）是一种用于在渲染过程中模拟物体表面的漫反射光照效果的着色器。它在每个像素（片元）级别计算光照效果，根据光源的位置和物体表面的法线方向来确定像素的颜色值。片元漫反射着色器通常用于创建逼真的光照效果，使物体的表面在不同的光照条件下呈现出合适的明暗和颜色变化。

2. 顶点漫反射着色器和片元漫反射着色器的比较

顶点漫反射着色器

工作原理：在顶点级别计算光照效果，将结果传递到片元着色器进行渲染。

优点：

计算开销相对较低，适用于大型场景或性能受限环境。
具有较好的性能表现，尤其在移动设备上。

缺点：

光照效果相对简单，可能缺乏真实感。
可能无法准确地模拟一些复杂的光照场景，如阴影和反射。

片元漫反射着色器

工作原理：在每个像素（片元）级别计算光照效果，直接在片元着色器中进行光照计算。

优点：

能够更准确地模拟光照效果，包括阴影和反射等。
提供更高的视觉真实感，可以产生更细致的光照效果。

缺点：

计算开销较大，可能影响性能，特别是在复杂场景中或移动设备上。
可能需要更多的计算资源，不适用于性能要求较高的应用场景。

二、使用步骤

1. Shader 属性定义

Properties
{
    _Diffuse("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1) // 漫反射颜色属性，默认白色
}

这段代码定义了 Shader 的属性。在本例中，我们只有一个属性 _Diffuse，表示物体的基本颜色，使用 RGBA 形式表示。默认为白色。

2. SubShader 设置

SubShader
{
    Tags
    {
        "RenderType" = "Opaque" // 渲染类型为不透明
    }
    
    LOD 100 // 细节级别
}

SubShader 定义了一组渲染设置，包括标签和细节级别。在这里，我们将渲染类型标签设置为 “Opaque”，表示物体是不透明的。

3. 渲染 Pass

Pass
{
    CGPROGRAM
    #pragma vertex vert
    #pragma fragment frag

    #include "UnityCG.cginc"
    #include "Lighting.cginc"
}

这里开始了渲染 Pass 部分。在这里，我们使用了 CGPROGRAM 指令来声明顶点着色器和片元着色器函数。#pragma vertex vert 和 #pragma fragment frag 分别指定了顶点着色器函数和片元着色器函数的名称。

然后，我们包含了 UnityCG.cginc 和 Lighting.cginc，它们提供了许多有用的函数和宏，用于简化编写 Shader。

4. 定义结构体和顶点着色器函数

struct v2f
{
    float4 vertex : SV_POSITION; // 顶点位置
    fixed3 worldNormal : TEXCOORD0; // 颜色
};

v2f vert(appdata_base v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点位置变换到裁剪空间
    fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 世界空间法线
    o.worldNormal = worldNormal;

    return o;
}

这里定义了结构体 v2f，用于从顶点着色器向片元着色器传递数据。在顶点着色器函数中，我们将顶点位置转换到裁剪空间，并计算世界空间的法线向量。

5. 片元着色器函数

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
    fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; //获取环境光
    fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); //获取光源位置
    fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldLight, i.worldNormal)); // 计算漫反射
    fixed3 color = diffuse + ambient; // 最终颜色
    return fixed4(color, 1); // 输出颜色
}