如何利用Shader来渲染游戏中的3D角色

杨航最近在学Unity3D

本文主要介绍一下如何利用Shader来渲染游戏中的3D角色，以及如何利用Unity提供的Surface Shader来书写自定义Shader。

一、从Shader开始

1、通过Assets->Create->Shader来创建一个默认的Shader，并取名“MyShader”。

Unity3D教程：3D角色的渲染

2、将MyShader打开即可看见Unity默认的Shader代码

Shader "Custom/MyShader" {
Properties {
_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
}
SubShader {
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 200
CGPROGRAM
#pragma surface surf Lambert
sampler2D _MainTex;
struct Input {
float2 uv_MainTex;
};
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
o.Albedo = c.rgb;
o.Alpha = c.a;
}
ENDCG
}
FallBack "Diffuse"
}

3、将该Shader赋给一个角色，就可以看到该Shader所能表达出的Diffuse渲染效果。

Unity3D教程：3D角色的渲染

4、接来我们将以此默认Shader作为蓝本，编写出自定义的Shader。另外，该Shader所用到的参数，我们将在下一章节进行说明。

二、实现多种自定义渲染效果

1、 BumpMap效果

如果想实现Bump Map效果，可对上述的Shader做如下修改：

1.1 在属性Properties中加入：

1	Properties {
2	_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
3	_BumpMap("Bumpmap", 2D) = "bump" {}
4	}

1.2 在SubShader的变量中也进行相应修改：

sampler2D _MainTex;
sampler2D _BumpMap;
struct Input {
float2 uv_MainTex;
float2 uv_BumpMap;
};

1.3 最后修改surf函数，加入对Normal分量的计算：

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
"white-space: pre;"> half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
o.Albedo = c.rgb;
o.Alpha = c.a;
o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
}

这样，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定BumpMap的Shader名为“MyShader1”）：

Unity3D教程：3D角色的渲染

然后，根据Base图来创建其Normal Map图，并拖入到BumpMap中即可。BumpMap的效果显示如下：

Unity3D教程：3D角色的渲染

说明：

（1）首先是title的解释

1	Shader "Custom/MyShader1"

这种表示表明了该Shader在编辑器中的显示位置，例如我们可在如下地方找到该Shader。

Unity3D教程：3D角色的渲染

（2）其次是Properties

1	Properties {
2	_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
3	_BumpMap("Bumpmap", 2D) = "bump" {}
4	}

Properties可通过如下语义进行声明：

name ("displayname", property type) = default value

“name” 是与Shader脚本中对应的名字

“display name”是在材质视图中所显示的名字

“propertytype”是指该property的类型，一般可有如下几种类型：Range，Color，2D，Rect，Cube，Float和Vector

“defaultvalue”是指该property的默认值

这里需要注意的是，如果你在Properties中加入了新的属性，那么你需要在CGPROGRAM中的SubShader中加入同样名字的参数。

（3）接下来是“LOD”语义词的解释。

这里的“LOD”主要是指Shader的LOD程度，即对于超出该范围的物体将不再通过该Shader进行渲染，具体的Shader LOD说明可以参见：Unity3D翻译——Shader Level of Detail

（4）我们在SubShader中还加入了

1	sampler2D _BumpMap;
2	float2 uv_BumpMap;

其中，_BumpMap是为了关联Properties中的_BumpMap属性。

而uv_BumpMap，是为了获取BumpMap图中的uv坐标。

（5）最后，我们在surf函数中获取每个顶点的纹理信息以及法线信息，这些信息将被应用于接下来的Vertex Fragment和Pixel Fragment。

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
o.Albedo = c.rgb;
o.Alpha = c.a;
o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
}

其中，tex2D函数可以读取纹理_MainTex中的IN.uv_MainTex坐标位置的像素颜色值。

Albedo和Alpha分别获取该像素的RGB值和Alpha值，其中“Albedo”是一个漫反射参数，它表示一个表面的漫反射能力，即一个表面上出射光强与入射光强的比值。具体介绍可见：http://en.wikipedia.org/wiki/Albedo。

2、 Blinn-Phong效果

如果想实现Blinn-Phong效果，可对上述的Shader做如下修改：

2.1 在属性Properties中加入：

1	_AmbientColor ("Ambient Color", Color) = (0.1, 0.1, 0.1, 1.0)
2	_SpecularColor ("Specular Color", Color) = (0.12, 0.31, 0.47, 1.0)
3	_Glossiness ("Gloss", Range(1.0,512.0)) = 80.0

2.2 在SubShader的变量中也加入相应修改：

1	fixed4 _AmbientColor;
2	fixed4 _SpecularColor;
3	half _Glossiness;

2.3 最后修改surf函数，进行如下修改：

1	fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);

这里将原有的half4替换为fixed4，这样做是为了提高渲染的性能，因为fixed的精度较之half要低，更高的精度意味着更大的计算量，而这里fixed的精度已经足够，所以使用fixed替代half4，从而来降低计算消耗，增加渲染性能。

2.4 将“#pragma surface surf Lamber”改成“#pragma surfacesurf CustomBlinnPhong”，同时加入与其对应的LightingCustomBlinnPhong函数来计算顶点光照。

inline fixed4 LightingCustomBlinnPhong (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, fixed atten) 
{
fixed3 ambient = s.Albedo * _AmbientColor.rgb;
 
fixed NdotL = saturate(dot (s.Normal, lightDir)); 
fixed3 diffuse = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL;
 
fixed3 h = normalize (lightDir + viewDir); 
float nh = saturate(dot (s.Normal, h)); 
float specPower = pow (nh, _Glossiness);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * specPower * _SpecularColor.rgb;
 
fixed4 c;
c.rgb = (ambient + diffuse + specular) * (atten * 2);
c.a = s.Alpha + (_LightColor0.a * _SpecularColor.a * specPower * atten);
return c;
}

该函数的名称为什么不是“CustomBlinnPhong”呢？这是因为该函数虽然是由“#pragma surface surf CustomBlinnPhong”来调用，但是为了让该函数可以正常工作，我们需要在其名称前加入“Lighting”关键字，这样Unity才能识别出这是一个自定义的光照函数。

通过以上设置，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定该Shader名为“MyShader2”）：

Unity3D教程：3D角色的渲染

其显示效果如下：

Unity3D教程：3D角色的渲染

3、边缘光照（Rim Light）和卡通渲染（Toon Shading）

可以通过对上述Shader做以下改进，来达到这种效果：

3.1 在属性Properties中加入：

1	_RimColor ("Rim Color", Color) = (0.12, 0.31, 0.47, 1.0)
2	_RimPower ("Rim Power", Range(0.5, 8.0)) = 3.0
3	_Ramp ("Shading Ramp", 2D) = "gray" {}

3.2 在SubShader的变量中也加入相应修改：

sampler2D _MainTex;
sampler2D _BumpMap;
sampler2D _Ramp;
 
fixed4 _AmbientColor;
fixed4 _SpecularColor;
half _Glossiness;
 
fixed4 _RimColor;
half _RimPower;
 
struct Input {
float2 uv_MainTex;
float2 uv_BumpMap;
half3 viewDir; 
};

3.3 修改surf函数，进行如下修改：

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
o.Albedo = c.rgb;
o.Alpha = c.a;
o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
fixed rim = 1.0 - saturate (dot (normalize(IN.viewDir), o.Normal));
o.Emission = (_RimColor.rgb * pow (rim, _RimPower));
}

这里主要是用来计算边缘光照的，首先通过视线与法线的夹角来找到模型的边缘，然后再根据距离的远近来控制发射光的强度。

3.4 将“#pragma surface surf CustomBlinnPhong”改成“#pragma surfacesurf CustomBlinnPhong exclude_path:prepass”，同时在LightingCustomBlinnPhong函数来修改漫反射光的计算，来达到卡通渲染的效果。

1	fixed NdotL = saturate(dot (s.Normal, lightDir));
2	fixed diff = NdotL * 0.5 + 0.5;
3	fixed3 ramp = tex2D (_Ramp, float2(diff, diff)).rgb;
4	fixed diffuse = s.Albedo * LightColor0.rgb * ramp;

通过以上设置，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定该Shader名为“MyShader3”）：

Unity3D教程：3D角色的渲染

其显示效果如下：

Unity3D教程：3D角色的渲染

可以看出边缘光照的效果，同时还可以看出明显的明暗变化的卡通渲染效果。

三、小结

综上所述，本文已经给出了人物的几种基本渲染方法及其Shader实现，在这里我并没有去分析每种渲染效果的原理，而仅是从实际出发，直接给出对应的简单实现方法。如果想要对光照模型进行深入理解，可以Google搜索其原理进行了解。最后，给出各种渲染方法的对比图，显示如下：

Unity3D教程：3D角色的渲染

本系列文章由 Unity公司开发支持工程师Amazonzx 编写，

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01	inline fixed4 LightingCustomBlinnPhong (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, fixed atten)
02	{
03	fixed3 ambient = s.Albedo * _AmbientColor.rgb;
04
05	fixed NdotL = saturate(dot (s.Normal, lightDir));
06	fixed3 diffuse = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL;
07
08	fixed3 h = normalize (lightDir + viewDir);
09	float nh = saturate(dot (s.Normal, h));
10	float specPower = pow (nh, _Glossiness);
11	fixed3 specular = _LightColor0.rgb * specPower * _SpecularColor.rgb;
12
13	fixed4 c;
14	c.rgb = (ambient + diffuse + specular) * (atten * 2);
15	c.a = s.Alpha + (_LightColor0.a * _SpecularColor.a * specPower * atten);
16	return c;
17	}

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01	Shader "Custom/MyShader" {
02	Properties {
03	_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
04	}
05	SubShader {
06	Tags { "RenderType"="Opaque" }
07	LOD 200
08	CGPROGRAM
09	#pragma surface surf Lambert
10	sampler2D _MainTex;
11	struct Input {
12	float2 uv_MainTex;
13	};
14	void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
15	half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
16	o.Albedo = c.rgb;
17	o.Alpha = c.a;
18	}
19	ENDCG
20	}
21	FallBack "Diffuse"
22	}

1	void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
2	"white-space: pre;"> half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
3	o.Albedo = c.rgb;
4	o.Alpha = c.a;
5	o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
6	}

01	sampler2D _MainTex;
02	sampler2D _BumpMap;
03	sampler2D _Ramp;
04
05	fixed4 _AmbientColor;
06	fixed4 _SpecularColor;
07	half _Glossiness;
08
09	fixed4 _RimColor;
10	half _RimPower;
11
12	struct Input {
13	float2 uv_MainTex;
14	float2 uv_BumpMap;
15	half3 viewDir;
16	};