管线渲染

定义：图形数据在GPU上经过运算处理，最后输出到屏幕的过程

1. 顶点处理：接收模型顶点数据、坐标系装换

2. 图元装配：组装面、连接相邻的顶点，绘制为三角面

3. 光栅化：计算三角面上的像素，并为后面着色阶段提供合理的插值参数（以及深度值）

4. 像素处理：对每个像素区域进行着色、写入到缓存

5. 缓存：一个存储像素数据的内存块，最重要的缓存是帧缓存与深度缓存

帧缓存：存储每个像素的色彩（缓冲）

深度缓存Z-buffer：前后排序（深度信息，物体到摄像机的距离）

6. Draw Call 绘制调用：每帧调用显卡渲染物体的次数

什么是缓冲？

一个像素有如下缓冲

颜色缓冲Color buffer/prixel buffer: 储存该点即将显示的颜色，RGBA值

深度缓存 depth buffer/Z buffer: 储存该点的深度Z

模板缓存stencil buffer ：通常作用限制渲染区域。更高级用法需结合深度缓存，例如某像素的模板缓冲值会随着其是否通过深度缓冲测试而改变

什么是图元装配（Primitive Assembly）

经过变换的顶点被装配成几何（三角形等）图集

什么是光栅化(栅格化)（Rasterization）

栅格化这个术语：可以用于任何将矢量图形转化成栅格图像的过程

在3D渲染中主要是指，三角形等图元（矢量）转化成像素碎片的过程。或者说决定哪些像素几何图元覆盖的过程。栅格化的结果是像素位置的集合和片段的集合

什么是光栅操作（Raster Operation）

指在碎片fragment处理后，在更新帧缓存前最后执行的一系列操作。通过包括裁剪，深度测试，alpha测试，alpha混合等。

Shader常见术语

Alpha 透明的（黑透白不透、灰色半透半不透）

Bump凹凸（法线贴图）

Specular (高光)

Shader主要看Game视窗

Shader显示名称与Shader名不冲突

什么是GPU?

GPU：Graphic Processing Unit,中文翻译为“图形处理器”。显卡包括（GPU,显存，显卡BLOS，显卡PCB板）

什么是Shader?

Shader程序：GPU执行的，针对3D对象进行操作的程序

Shader编程有那几种？

CG：与DirectX 9.0 以上以及OpenGL 完全兼容。运行时或事先编译成GPU汇编代码

HLSL: 主要用于Direct3D。平台：Windows

GLSL: 主要用于OPenGL。平台：移动平台（IOS,Android）,Mac(only use when you target Mac OS X or OpenGL ES 2.0)

为什么Shader中选择CG?

因为CG/HLSL 比GLSL支持更多的平台。

Unity3d 里CG输出什么？

Windows平台：Direct3D,GPU汇编代码

Mac: OpenGL GPU汇编代码

Flash: Flash GPU 汇编代码

IOS/Android : unity 会将CG转换成GLSL代码。

总结：也就是除了移动平台会把CG转换成GLSL代码，其余平台都是转化成汇编代码。

Unity 中的三种自定义Shade:

1.surface shaders, 表面着色器（最常用，比固定功能管线高级）（之前默认创建的shader类型）它是 Vertex and fragment shaders 的包装，让我们可以不用关心这些顶点和片段程序的细节，可以直接得到我们想要的着色器。

2.Vertex and fragment shaders 顶点和片元着色器（细节处理，偏底层）

3.fixed function shaders. 固定功能管线着色器（更简单），在可编程渲染管线硬件出现之前，很多光照都会放在硬件级处理（可以理解为对固定管线硬件的操作），一般放在项目前绝大多数硬件都可支持，应用就可以使用，比如光照、纹理采样

//Shader中没有注明是前两种shader,即为第三种shader

先从ShaderLab基本语法开始入手，再去阅读surface shader,或者vertex and fragment shaders

ShaderLab 基本结构

Unity中的Shader 都是要通过ShaderLab的基本语法进行编写，unity就是想通过Shaderlab的方案进行Shader的编写。将三种定义的Shader通过同一种格式进行编写，避免不同Shader使用不同的方法。

Shader "name"
{//[Properties] 属性 查看ShaderLab：Properties //作用:在可视化面板提供美工可使用的属性Properties  {}//[Subshader] 算法用于执行给定的数据SubShader{}//[FallBack] 后退 一般会填写所有硬件都支持的渲染方式FallBack "Diffuse"
}

关于SubShaders (处理ShaderLab中的语言片段) 在ShaderLab中至少有一个SubShader，当然也可多个。但是，显卡每次渲染处理的时候只能选择一个SubShaders执行。那多个SubShader的作用是为了不同的硬件的渲染支持，为了Shader能在比较老的图形显卡中也能支持。一般比较往下的Subshader要简化，运算指令要简单。

Fixed function shader固定功能管线

所有硬件平台都可支持，针对硬件能够执行的基本命令的Shader,当然有，但是，速度最快

Properties 属性

Material 材质

Lighting 光照

Settexture 设置纹理

Pass通道（存储图像的色彩RGB）(只有Surface 可以不写)

Surface shaders

surfaceOutPut输出

Input 输入

Lighting 光照

常用公式

环境反射

Ambient= Ka*globalAmbient;

Ka是材质的环境反射系数

globalAmbient是入射环境光的颜色

漫反射

Diffuse=Kd*lightColor*max(N*L,0);

Kd 是材质的漫反射颜色

lightColor是入射漫反射光的颜色

N 是规范化的表面法向量

L 是规范化的纸箱光源对的向量；

镜面反射

Specular=Ks * lightColor *facing*max((N*H),0) shininess

Ks 是材质的镜面反射颜色；

lightColor是入射镜面反射光的颜色

N是规范化的表面法向量

V是指向视点的规范化的向量

L是指向光源的规范化的向量

H是V和L的中间向量的规范化向量

P是要被着色的点

Faceing是1如果N*L是大于0的，否者为0

写Shader不区分大小写

和灯光有呼应的 ------ 漫反射高光背光阴影环境光

固定着色器格式

hader "Unlit/Test2"//不区分大小写
{//声明属性Properties{//默认颜色颜色//变量名    在监视面板显示的名称    类型=值_Color("MyColor",Color)=(1,0,0,1)//环境光_Ambient("Ambient",Color)=(1,0,0,1)//高光_Specular("Specular",Color)=(1,0,0,1)_Shininess("Shininess",Range(0,1))=0.5 //range 0-8的值//自发光_Emission("Emission",Color)=(1,0,0,1)//_MainTexture("Main Texture",2D)="white"{}//默认颜色}SubShader{pass{Color[_Color]   //使用默认颜色进行颜色的写入Material{//漫反射Diffuse[_Color]//环境光Ambient[_Ambient]//亮度Shininess[_Shininess]//高光反射系数Specular[_Specular]//自发光Emission[_Emission]}//启动光照Lighting On //启动高光反射SeparateSpecular OnSetTexture[_MainTexture]{Combine Texture*primary double}}}FallBack "Diffuse"
}

表面着色器格式

Shader "Custom/Test1" {//属性 //属性变量Properties {//变量名  面板中的名字  类型_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)_MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}_Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5_Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0}//算法SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" } //描述渲染类型，当前是不透明的物体//Tags{"RenderType"="Opaque" "queue"="transparent"}//透明的物体LOD 200  //层级细节CGPROGRAM  //CG代码块 CG开始// Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types//如果是Standard fullforwardshadows光照模型，则对应用SurfaceOutputStandard，//如果是Lambert光照模型（其他版本Unity默认的光照模型），则对应SurfaceOutput。//对应的SurfaceOutputStandard/SurfaceOutput结构体不用写出来#pragma surface surf Standard fullforwardshadows//编译指令//surface表面着色器 surf调用的方法 Standard基于物理的光照模型（原来是漫反射 Lambert）//fullforwardshadows 阴影表现（平行光、点光、聚光都是有阴影的）// Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting#pragma target 3.0  //GPU硬件支持3.0 （不写默认是2.0）sampler2D _MainTex; //CG中图片的类型struct Input {float2 uv_MainTex; //记录uv纹理坐标};half _Glossiness; //CG中的浮点型half _Metallic;   fixed4 _Color;    //CG中的四阶向量（0，0，0，0）rgb// Add instancing support for this shader. You need to check 'Enable Instancing' on materials that use the shader.// See https://docs.unity3d.com/Manual/GPUInstancing.html for more information about instancing.// #pragma instancing_options assumeuniformscalingUNITY_INSTANCING_CBUFFER_START(Props)// put more per-instance properties hereUNITY_INSTANCING_CBUFFER_END//Input 传入值    inout 传出值(基于物理的要加Standard)void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {// Albedo comes from a texture tinted by colorfixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;o.Albedo = c.rgb;// Metallic and smoothness come from slider variableso.Metallic = _Metallic;  //金属光泽表现o.Smoothness = _Glossiness; //高光光泽度o.Alpha = c.a;}ENDCG //CG结束}FallBack "Diffuse"
}

表面着色器示例练习

Shader "Custom/Test5" {Properties {//2D ---图片    white----默认格式  “”内也可以不写//大括号也可以不写（大括号内可以给值）_MainTex("Texture",2D)="white"{}_BumpMap("Bumpmap",2D)="bump"{}//cube 立方体贴图_Cube("Cubemap",CUBE)=""{}}SubShader {//不透明Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 200CGPROGRAM// Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types//如果是Standard fullforwardshadows光照模型，则对应用SurfaceOutputStandard，//如果是Lambert光照模型（其他版本Unity默认的光照模型），则对应SurfaceOutput。//对应的SurfaceOutputStandard/SurfaceOutput结构体不用写出来#pragma surface surf Lambert// Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting#pragma target 3.0struct Input {//只要是纹理相关都需要UVfloat2 uv_MainTex;float2 uv_BumpMap;float3 worldRef1;INTERNAL_DATA  //反射与法线效果配合};//再次声明变量sampler2D _MainTex;sampler2D _BumpMap;samplerCUBE _Cube;// Add instancing support for this shader. You need to check 'Enable Instancing' on materials that use the shader.// See https://docs.unity3d.com/Manual/GPUInstancing.html for more information about instancing.// #pragma instancing_options assumeuniformscalingUNITY_INSTANCING_CBUFFER_START(Props)// put more per-instance properties hereUNITY_INSTANCING_CBUFFER_ENDvoid surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {o.Albedo=tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;//不需要法线的反射效果//o.Emission=texCUBE(_Cube,IN.worldRefl).rgb;//法线与反射效果配合//需要将INTERNAL_DATA添加到Input结构中o.Normal=UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,IN.uv_BumpMap));//反射o.Emission=texCUBE(_Cube,WorldReflectionVector(IN,o.Normal)).rgb;}ENDCG}FallBack "Diffuse"
}

CG之基本光照模型计算公式

在一个基本模型里，一个物体表面的颜色是由放射(emissive)、环境反射(ambient)、漫反射(diffuse)和镜面反射(specular)等光照作用的总和。每种光照作用取决于表面材质的性质（如亮度和材质颜色）和光源的性质（如光的颜色和位置）的共同作用。

从数学上描述基本模型的高级公式如下所示：

surfaceColor = emissive +ambient + diffuse + specular

一、放射项

emissive = Ke

其中：

Ke代表材质的放射光颜色。

二、环境反射项

ambient = Ka * globalAmbient

其中：

Ka是材质的环境反射系数。

globalAmbient是入射环境光的颜色。

三、漫反射项

diffuse = Kd * lightColor * max(dot(N, L), 0)

其中：

Kd是材质的漫反射颜色。

lightColor是入射漫反射光的颜色。

N是规范化的表面法向量。

L是规范化的从顶点到光源的向量。

四、镜面反射项

specular = Ks * lightColor * facing * pow(max(dot(N, H), 0), shininess)

其中：

Ks 是材质的镜面反射颜色。

lightColor是入射镜面反射光的颜色。

N是规范化的表面法向量。

H是规范化的，顶点到光源的向量与顶点到眼睛的向量的中间向量。

facing是，如果dot(N,L)大于0则为1，否则为0。其中L是顶点到光源位置的向量。

shinniess是表面光泽度。

1 Shader "Custom/Test"
2 {
3     Properties
4     {
5         _Ke("Ke", Color) = (1,1,1,1)
6         _Ka("Ka", Color) = (1,1,1,1)
7         _GlobalAmbient("Global ambient", Color) = (1,1,1,1)
8         _Kd("Kd", Color) = (1,1,1,1)
9         _Ks("Ks", Color) = (1,1,1,1)
10         _Shininess("", float) = 1
11     }
12
13     SubShader
14     {
15         Pass
16         {
17             Tags
18             {
19                 "RenderType" = "Opaque"
20             }
21
22             CGPROGRAM
23             #pragma vertex Vert
24             #pragma fragment Frag
25
26             #include "UnityCG.cginc"
27             #include "Lighting.cginc"
28
29             uniform float4 _Ke;
30             uniform float4 _Ka;
31             uniform float4 _GlobalAmbient;
32             uniform float4 _Kd;
33             uniform float4 _Ks;
34             uniform float _Shininess;
35
36             struct VertexInput
37             {
38                 float4 pos : POSITION;
39                 float2 uv : TEXCOORD0;
40                 float3 nor : NORMAL;
41                 float4 col : COLOR;
42             };
43
44             struct FragmentInput
45             {
46                 float4 pos : SV_POSITION;
47                 float2 uv : TEXCOORD0;
48                 float4 col : COLOR;
49             };
50
51             FragmentInput Vert(VertexInput vi)
52             {
53                 FragmentInput fi;
54                 fi.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, vi.pos);
55                 fi.uv = vi.uv;
56
57                 // compute emissive
58                 float3 emissiveC = _Ke.rgb;
59
60                 // compute ambient
61                 float3 ambientC = _Ka.rgb * _GlobalAmbient.rgb;
62
63                 // compute diffuse
64                 float3 nor = mul(vi.nor, (float3x3)_World2Object);
65                 float3 dir2Light = normalize(WorldSpaceLightDir(vi.pos));
66                 float nl = max(0, dot(nor, dir2Light));
67                 float3 diffuseC = _Kd.rgb * _LightColor0.rgb * nl;
68
69                 // compute specular
70                 float3 dir2Cam = normalize(WorldSpaceViewDir(vi.pos));
71                 float nh = max(0, dot(nor, dir2Cam + dir2Light));
72                 float specLight = nl > 0 ? pow(nh, _Shininess) : 0;
73                 float3 specC = _Ks * _LightColor0.rgb * specLight;
74
75                 fi.col.rgb = emissiveC + ambientC + diffuseC + specC;
76                 fi.col.a = 1;
77
78                 return fi;
79             }
80
81             float4 Frag(FragmentInput fi) : Color
82             {
83                 return fi.col;
84             }
85
86             ENDCG
87         }
88     }
89 }

【Unity5.x Shaders】最基本的Surface Shader-Diffuse shader以及Surface中的三种输出结构

某些物体可能具有均匀的颜色和光滑的表面，但光滑程度不足以照射反射光。
这些哑光材料最好用Diffuse Shader。在现实世界中，不存在纯diffuse materials
Diffuse shader经常出现在游戏中，下面就是一个简单的Diffuse shader代码

Shader "Custom/DiffuseShader" {Properties {_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)                     }SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 200CGPROGRAM// Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types#pragma surface surf Standard fullforwardshadows// Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting#pragma target 3.0struct Input {float2 uv_MainTex;};fixed4 _Color;void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o){           o.Albedo = _Color.rgb;          }ENDCG}FallBack "Diffuse"
}

这是一个从Standard Shader改装的的Shader，它将使用基于物理的渲染去模仿灯光在模型上的行为。
如果你想实现一个非真实感（non-photorealistic）的外观，可以改变第一个预处理指令使用Lambert光照模型。
#pragma surface surf Lambert
如果使用了这个模型，surf函数中的输出结构SurfaceOutputStandard需要改成SurfaceOutput。

Surface输出结构

Shader允许你通过Surface的输出结构将材质的渲染属性传递给光照模型。
不同的Surface光照模型需要不同的Surface输出结构

在Unity5中，有三种主要的输出结构：

SurfaceOutput

一般的光照模型例如Lambert光照模型

struct SurfaceOutput {  fixed3 Albedo;   //对光源的反射率fixed3 Normal;   //对应切线空间法线方向fixed3 Emission; //自发光half Specular;   //高光反射中的指数部分的系数。fixed Gloss;     //高光反射中的强度系数half Alpha;      //透明通道

SurfaceOutputStandard

标准光照模型 使用此结构输出

struct SurfaceOutputStandard {  fixed3 Albedo;  //材质的基础颜色（无论是漫反射还是高光）fixed3 Normal;   half3 Emission; //类型被声明为half3，注意在SurfaceOutput中被定义为fixed3half Alpha;      half Occlusion; //遮挡(默认为1)  half Smoothness;//光滑程度（0=粗糙, 1=光滑）half Metallic;  //0=非金属, 1=金属

SurfaceOutputStandardSpecular

标准镜面光照模型 使用此结构输出

struct SurfaceOutputStandardSpecular
{fixed3 Albedo;      fixed3 Specular;    // 镜面反射颜色fixed3 Normal;     half3 Emission;half Smoothness;    half Occlusion;     fixed Alpha;
};

注意：这里的Specular完全不同于SurfaceOutput中的Specular
它允许指定一个颜色而不是一个单值。

正确使用Surface Shader，是使Surface输出结构输出正确的值

参考资料 https://blog.csdn.net/leonardo_davinci/article/details/78869587

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