UnityShader学习——透明效果

原理

• 透明是游戏中经常要使用的一种效果。在实时渲染中要实现透明效果，通常会在渲染模型时控制它的透明通道（Alpha Channel）。当开启透明混合后，当一个物体被渲染到屏幕上时，每个片元除了颜色值和深度值之外，它还有另一个属性——透明度。当透明度为1时，表示该像素是完全不透明的，而当其为0时，则表示该像素完全不会显示。
• 在Unity中，我们通常使用两种方法来实现透明效果：第一种是使用透明度测试（AlphaTest），这种方法其实无法得到真正的半透明效果（镂空效果）；另一种是透明度混合（AlphaBlending）。
• 对于透明度混合技术，需要关闭深度写入，此时我们就需要小心处理透明物体的渲染顺序。渲染引擎一般都会先对物体进行排序，再渲染。常用的方法是。
  • （1）先渲染所有不透明物体，并开启它们的深度测试和深度写入。
  • （2）把半透明物体按它们距离摄像机的远近进行排序，然后按照从后往前的顺序渲染这些半透明物体，并开启它们的深度测试，但关闭深度写入。
  • （3）如果物体互相重叠，我们不可能得到一个正确的排序顺序。

Unity Shader的渲染顺序

Unity为了解决渲染顺序的问题提供了渲染队列（render queue）这一解决方案。我们可以使用SubShader的Queue标签来决定我们的模型将归于哪个渲染队列。

Unity在内部使用一系列整数索引来表示每个渲染队列，且索引号越小表示越早被渲染。在Unity 5中，Unity提前定义了5个渲染队列（与Unity 5之前的版本相比多了一个AlphaTest渲染队列），当然在每个队列中间我们可以使用其他队列。下表给出了这5个提前定义的渲染队列以及它们的描述。

ZWrite Off用于关闭深度写入，我们选择把它写在Pass中。我们也可以把它写在SubShader中，这意味着该SubShader下的所有Pass都会关闭深度写入。

分类实现

透明度测试

只要一个片元的透明度不满足条件（通常是小于某个阈值），那么它对应的片元就会被舍弃。被舍弃的片元将不会再进行任何处理，也不会对颜色缓冲产生任何影响；否则，就会按照普通的不透明物体的处理方式来处理它。

通常，我们会在片元着色器中使用clip函数来进行透明度测试。clip是CG中的一个函数，它的定义如下。

函数：

void clip(float4 x); 
void clip(float3 x); 
void clip(float2 x); 
void clip(float1 x); 
void clip(float x);

参数：裁剪时使用的标量或矢量条件。

描述：如果给定参数的任何一个分量是负数，就会舍弃当前像素的输出颜色。

Shader "ShaderBook/Chapter8/AlphaTest" {
	Properties {
		_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
		_Cutoff ("Alpha Cutoff", Range(0, 1)) = 0.5
	}
	SubShader {
		Tags {"Queue"="AlphaTest" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="TransparentCutout"}
		
		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed _Cutoff;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
				float2 uv : TEXCOORD2;
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);				
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);				
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;				
				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);				
				return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));				
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);				
				// Alpha test
				clip (texColor.a - _Cutoff);
				// Equal to 
//				if ((texColor.a - _Cutoff) < 0.0) {
//					discard;
//				}				
				fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;				
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));				
				return fixed4(ambient + diffuse, 1.0);
			}			
			ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Transparent/Cutout/VertexLit"
}

在Unity中透明度测试使用的渲染队列是名为AlphaTest的队列，因此我们需要把Queue标签设置为AlphaTest。

而RenderType标签可以让Unity把这个Shader归入到提前定义的组（这里就是TransparentCutout组）中，以指明该Shader是一个使用了透明度测试的Shader。

RenderType标签通常被用于着色器替换功能。我们还把IgnoreProjector设置为True，这意味着这个Shader不会受到投影器（Projectors）的影响。

通常，使用了透明度测试的Shader都应该在SubShader中设置这三个标签。

透明度混合

这种方法可以得到真正的半透明效果。它会使用当前片元的透明度作为混合因子，与已经存储在颜色缓冲中的颜色值进行混合，得到新的颜色。但是，透明度混合需要关闭深度写入，这使得我们要非常小心物体的渲染顺序。

为了进行混合，我们需要使用Unity提供的混合命令——Blend。Blend是Unity提供的设置混合模式的命令。想要实现半透明的效果就需要把当前自身的颜色和已经存在于颜色缓冲中的颜色值进行混合，混合时使用的函数就是由该指令决定的。下表给出了Blend命令的语义。

我们使用Blend SrcFactor DstFactor来进行混合。需要注意的是，这个命令在设置混合因子的同时也开启了混合模式。这是因为，只有开启了混合之后，设置片元的透明通道才有意义，而Unity在我们使用Blend命令的时候就自动帮我们打开了。

我们会把源颜色的混合因子SrcFactor设为SrcAlpha，而目标颜色的混合因子DstFactor设为OneMinusSrcAlpha。这意味着，经过混合后新的颜色是： $DstColor_{new}=SrcAlpha×SrcColor+(1-SrcAlpha)×DstColor_{old}$
通常，透明度混合使用的就是这样的混合命令。

核心代码

SubShader
{ 
	Tags{
		"Queue" = "Transparent"
		"IgnoreProjector" = "True"
		"RenderType" = "Transparent"
	}

	pass 
	{
		Tags{ "LightMode" = "ForwardBase"}
		Cull Back
	    ZWrite Off    //关闭深度写入
        Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
    }
}

return fixed4 (ambient+diffuse+specular,texColor.a*_AlphaScale);

当模型本身有复杂的遮挡关系或是包含了复杂的非凸网格的时候，就会有各种各样因为排序错误而产生的错误的透明效果。

一种解决方法是分割网格，从而可以得到一个“质量优等”的网格。但是很多情况下这往往是不切实际的。这时，我们可以想办法重新利用深度写入，让模型可以像半透明物体一样进行淡入淡出。

另一种解决方法是使用两个Pass来渲染模型：第一个Pass开启深度写入，但不输出颜色，它的目的仅仅是为了把该模型的深度值写入深度缓冲中；第二个Pass进行正常的透明度混合，由于上一个Pass已经得到了逐像素的正确的深度信息，该Pass就可以按照像素级别的深度排序结果进行透明渲染。但这种方法的缺点在于，多使用一个Pass会对性能造成一定的影响。

核心代码

Pass {
	ZWrite On
	ColorMask 0
}

在ShaderLab中，ColorMask用于设置颜色通道的写掩码（write mask）。当ColorMask设为0时，意味着该Pass不写入任何颜色通道，即不会输出任何颜色。

其他混合

当片元着色器产生一个颜色的时候，可以选择与颜色缓存中的颜色进行混合。这样一来，混合就和两个操作数有关：源颜色（source color）和目标颜色（destination color）。源颜色，我们用S表示，指的是由片元着色器产生的颜色值；目标颜色，我们用D表示，指的是从颜色缓冲中读取到的颜色值。对它们进行混合后得到的输出颜色，我们用O表示，它会重新写入到颜色缓冲中。

需要注意的是，当我们谈及混合中的源颜色、目标颜色和输出颜色时，它们都包含了RGBA四个通道的值，而并非仅仅是RGB通道。

当进行混合时，我们需要使用两个混合等式：一个用于混合RGB通道，一个用于混合A通道。在默认情况下，混合等式使用的操作都是加操作（我们也可以使用其他操作）。

第一个命令只提供了两个因子，这意味着将使用同样的混合因子来混合RGB通道和A通道。

混合因子

ShaderLab支持的几种混合因子：

混合操作

在上面涉及的混合等式中，当把源颜色和目标颜色与它们对应的混合因子相乘后，我们都是把它们的结果加起来作为输出颜色的。那么可不可以选择不使用加法，而使用减法呢？答案是肯定的，我们可以使用ShaderLab的BlendOp BlendOperation命令，即混合操作命令。

常见混合类型

双面渲染

在现实生活中，如果一个物体是透明的，意味着我们不仅可以透过它看到其他物体的样子，也可以看到它内部的结构。

但在前面实现的透明效果中，无论是透明度测试还是透明度混合，我们都无法观察到正方体内部及其背面的形状，导致物体看起来就好像只有半个一样。这是因为，默认情况下渲染引擎剔除了物体背面（相对于摄像机的方向）的渲染图元，而只渲染了物体的正面。

如果我们想要得到双面渲染的效果，可以使用Cull指令来控制需要剔除哪个面的渲染图元。

• 如果设置为Back，那么那些背对着摄像机的渲染图元就不会被渲染，这也是默认情况下的剔除状态；
• 如果设置为Front，那么那些朝向摄像机的渲染图元就不会被渲染；
• 如果设置为Off，就会关闭剔除功能，那么所有的渲染图元都会被渲染，但由于这时需要渲染的图元数目会成倍增加，因此除非是用于特殊效果，例如这里的双面渲染的透明效果，通常情况是不会关闭剔除功能的。

如果我们直接关闭剔除功能，那么我们就无法保证同一个物体的正面和背面图元的渲染顺序，就有可能得到错误的半透明效果。为此，我们选择把双面渲染的工作分成两个Pass——第一个Pass只渲染背面，第二个Pass只渲染正面，由于Unity会顺序执行SubShader中的各个Pass，因此我们可以保证背面总是在正面被渲染之前渲染，从而可以保证正确的深度渲染关系。

核心代码

Pass {
	Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
	
	//First pass renders only back faces 
	Cull Front
	
	ZWrite Off
	Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
	
	CGPROGRAM
	//和前面相同
	ENDCG
}
Pass {
	Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
	
	// Second pass renders only front faces 
	Cull Back
	
	ZWrite Off
	Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
	
	CGPROGRAM
	//和前面相同
	ENDCG
}