Unity 5着色器系统代码介绍(上)
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Unity 5着色器系统代码介绍(上)
Unity在着色器开发方面提供了很大的灵活性。有些工具需要你编写一个“合适”的自定义着色器(合适,即无法在节点编辑器里完成,必须要写代码),其麻烦程度可算是相当轻量。不过,完全基于延迟渲染器,意味着我们无法像在前向着色器中那样可以放开手脚,而只能受限于g-buffer中包含的那些无法进行更改的信息。
所以说,如果你对Unity 5的标准着色器基本满意,想在其中添加点东西,比如一个额外的着色器属性,或者修改某些功能点。或者你想重新制作你自己的着色器系统,这个系统需要涉及阴影、全局光照、光照贴图、直接光照等等。
最主要的问题是,无法对标准着色器进行编辑。你无法直接修改标准着色器的代码。你必须先下载你所安装的Unity版本的对应着色器代码。
获取标准着色器代码
具体做法是,检查你所安装的Unity 5版本,然后访问Unity
Download Archive网页,在下拉列表中选择适合你平台(Win/Mac)的“内置着色器”,最后将下载的zip文件解压。
概述
Zip文件中包含了标准着色器的完整源代码,包括特殊的检视视图UI以及它包含的所有内容。四个文件夹:
- CGIncludes
- DefaultResources
- DefaultResourcesExtra
- Editor
Editor仅包含实现标准着色器检视视图UI的.cs文件。
CGIncludes中的文件包含了所有其他着色器所需要的函数。我们会仔细研究它们,因为我们将会用到那些函数。
DefaultResources和DefaultResourcesExtra 包含了许多适用于不同情况的着色器。
下面来学习如何解读标准着色器,然后依次查看各个子系统,直接光照、阴影、全局光照等等。本文以Unity 5.4版本为例,建议大家采用Unity 5.3或以上版本,因为Unity将光照模型(BRDF)从Phong改为了GGX。Phong简单快速,各向同性,但是表达能力有限;GGX更为复杂,支持各向异性,并且有接近现实世界的高光效果,表达能力较强。这是一个很大的改进,使我们可以制作更多有趣的示例。
追踪pragma
回到着色器代码。从一个简单的标准着色器开始:DefaultResourcesExtra\Standard.shader。
打开这个文件后会发现,它是一个Surface着色器,包含一个Properties部分,以及不同的着色器pass。它针对延迟与前向渲染器还有不同的pass。
让我们分析前向渲染器(前向渲染器有两个Pass,Base Pass针对第一个光源,另一个Add Pass针对所有其他光源)的Base Pass:
// // Pass { Name "FORWARD" Tags "LightMode"
"ForwardBase"
Blend ZWrite CGPROGRAM #pragma // #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #pragma #include ENDCG } |
如你所见,它基本上由一堆pragma和定义组成。在ubershader样式中,那些pragma激活了在不同包含文件中的代码段。因此要了解这个pass中实际发生的事情,必须打开CGIncludes\UnityStandardCoreForward.cginc,并逐一查看每个代码段中的每个pragma。这个过程太长,需要太多笔墨,所以现在还是让我们专注于寻找基本函数,即主要的光照计算过程发生的地方。
CGIncludes\UnityStandardCoreForward.cginc的作用仅仅是将在其他cginclude中包含的东西连在一起。在这里,它负责根据定义UNITY_STANDARD_SIMPLE,设置好要使用的顶点与片段函数。
下面看看更简单的那个CGIncludes\UnityStandardCoreForwardSimple.cginc。它很“简单”,因为它不支持PARALLAXMAP、DIRLIGHTMAPCOMBINED、DIRLIGHTMAP_SEPARATE,因此解读起来也相对简单。
基础函数与结构体
最后,这个文件里还有一些函数与结构体,基础的有以下这些:
- struct VertexOutputBaseSimple,这个数据结构用于保存从顶点着色器向片段着色器传送的数据。
- vertForwardBaseSimple 是在每个顶点上都会执行的函数,填充 VertexOutputBaseSimple结构体。
- fragForwardBaseSimpleInternal,正向渲染器中,接受顶点输出结构体,并计算第一个光源的函数。
片段函数
它返回一个向量,其中包含四个half精度浮点数(一个颜色和透明度),它接受一个VertexOutputBaseSimple结构体:
half4 { FragmentCommonData UnityLight half half half UnityGI half3 half3 c c c UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, return
} |
从代码中可以看到,它收集了所需的信息,并对直接与间接光的贡献、雾、衰减、自发光和遮蔽进行了计算。
这些过程已被高度封装,因此我们需要依次查看这些函数,才能了解它们的实际用途,以及代码的具体作用。
追踪更多的函数
对光源进行实际计算的函数并不在此文件中,部分在CGIncludes/UnityStandardCore.cginc中:
- MainLight (实际上用于 UnityStandardCoreForward.cginc中的MainLightSimple)
UnityLight { UnityLight #if mainLight.ndotl #endif return
} |
我们能看到那里对LambertTerm进行了计算,但仅在光照贴图关闭且法线贴图打开时会这样。
CGIncludes/UnityStandardBRDF.cginc:
- BRDF3DirectSimple (使用BRDF3Direct)
half3 { half // // half #if specular #endif |
它看起来在使用查表法计算镜面反射的贡献。
- LambertTerm, 导向到DotClamped
inline { #if return
#else return
#endif } |
从MainLightSimple我们得知,传入的参数是N和L。所以片段函数首先设置好片段,计算主光源ndotl、衰减、遮蔽、全局光照以及灯光颜色。然后计算最终光线的所有贡献,并将直接、间接、全局光照加总后再应用雾。
正如你所见,着色器在光照计算方面相当轻量,仅使用了一个Lambert算法,并查了一下表。它不像基于物理的着色器使用的那么多,这很可能是最廉价的标准着色器版本了。
在下一篇中,我们会以同样的方式审视标准版本的着色器,很可能会看到一些更加高级的BRDF。
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