一篇博客入门Unity Shader

一 基础

// 这里指定 Shader 的名字,不要求跟文件名保持一致
Shader "Tint/First"{ 
    // 属性
    Properties{
        _Color("Color",Color)= (1,1,1,1)  // 颜色
        _Vertor("Vector",Vector)=(1,2,3,4) //一维向量
        _Int("Int",Int) = 1 // 整数
        _Float("Float",Float) = 2.3 //浮点数
        _Range("Range",Range(1,10))= 1 // 范围
        _MainTex("Main Tex",2D) = "white"{} // 图片纹理
        _Cube("Cube",Cube)= "white"{} // 天空盒 
        _3D("3D Tex",3D) ="white"{} // 3D 纹理
    }
    //SubShader 可以写很多个 显卡运行效果的时候,从第一个SubShader开始,如果第一个 SubShader里面的效果可以实现,
    //那么就使用第一个 SubShader ,如果显卡这个 SubShader 里面的某些效果它实现不理,它会自动去实现第二个SubShader
    //如果所有的 SubShader 都无法运行,那么将运行  Fallback "" 
    SubShader{
        // 至少有一个Pass
        Pass{
            // 使用 CG 语言编写 Shader 代码
            CGPROGRAM
            // 顶点函数,这里只是声明了顶点函数的函数名
            // 基本作用是 完成顶点坐标从模型空间到剪裁空间的转换(从游戏环境转换到视野相机屏幕上)
            #pragma vertex vert
            // 片元函数,这里只是声明了片元函数的片元名
            // 基本作用是返回模型对应的屏幕的每一个像素的颜色值
            #pragma fragment frag

            // 从应用程序传递到 顶点函数的所有语义
            struct a2v{
                // 告诉Unity把模型空间下的顶点坐标填充给 vertex
                float4 vertex : POSITION; 

                // 告诉Unity把模型空间下的法线方向填充给 normal
                float4 normal : NORMAL;

                // 告诉Unity把模型空间下的切线方向填充给 tangent  (TANGENT 0~n)
                float4 tangent : TANGENT;

                // 告诉Unity把第一套纹理坐标填充给 texcoord   (TEXCOORD 0~n)
                float4 texcoord : TEXCOORD0;

                // 告诉Unity把模型空间下的顶点颜色填充给 color (COLOR 0~n)
                fixed3 color : COLOR0;
                
            };

            // 从顶点函数 传递给 片元函数的所有语义
            struct v2f{
                // 剪裁空间中的顶点坐标(一般是系统直接使用)
                float4 position:SV_POSITION;

                // 不一定传递颜色,可以传递一组4个的值
                fixed3 color :COLOR0;

                // 不一定传递颜色,可以传递一组4个的值 (TEXCOORD 0~7)
                float4 texcoord:TEXCOORD0;
            };

            // 通过语义告诉系统,我这个参数是干嘛的,比如 POSITION 是告诉系统我需要顶点坐标
            // SV_POSITION这个语义用来解释说明返回值,意思是返回值是剪裁空间下的顶点坐标
            // v2f vert(a2v v : POSITION):SV_POSITION{}
            v2f vert(a2v v){
                v2f f;
                f.position = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 这里场景中可以建一个正方体,它的模型空间下 法线(1,0,0)为红色 法线(0,1,0)为绿色 法线(0,0,1)为蓝色 
                // 其他法线方向是负数所以为黑色 过渡系统会自动进行插值运算
                f.color = v.normal;
                return f;
            }
            // 片元函数传递给 系统的所有语义
            //SV_TARGET 这个语义用来解释说明返回值,意思是返回值是模型对应的屏幕的每一个像素的颜色值
            fixed4 frag(v2f f):SV_TARGET{
                // 模型显示法线颜色
                return fixed4(f.color,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "VertexLit"
}

二 光照

漫反射 左为Unity2018.4    右为Unity2020.1.5 Urp  添加了 LightMode = ForwardBase之后, 为啥Urp中没效果,有人知道可以评论区说一下吗,谢谢

UnityCG.cginc常用函数:

 /* 
 UnityCG.cginc 中一些常用的函数
 //摄像机方向(视角方向)
 float3 WorldSpaceViewDir(float4 v) 根据模型空间中的顶点坐标 得到(世界空间)从这个点到摄像机的观察方向
 float3 UnityWorldSpaceViewDir(float4 v) 世界空间中的顶点坐标 ==> 世界空间从这个点到摄像机的观察方向
 float3 ObjSpaceViewDir(float4 v) 模型空间中的顶点坐标 ==> 模型空间从这个点到摄像机的观察
 //光源方向
 float3 WorldSpaceLightDir(float4 v) 模型空间中的顶点坐标 ==> 世界空间中从这个点到光源的方向
 float3 UnityWorldSpaceLightDir(float4 v) 世界空间中的顶点坐标 ==> 世界空间中从这个点到光源的方向
 float3 ObjSpaceLightDir(float4 v) 模型空间中的顶点坐标 ==> 模型空间中从这个点到光源的
 // 方向转换
 float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm) 把法线方向从模型空间==> 世界空间
 float3 UnityObjectToWorldDir(float3 dir) 把方向从模型空间 ==> 世界空间
 float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir) 把方向从世界空间 ==> 模型空间
 */

1.漫反射 普通

公式:   漫反射 Diffuse = 直射光颜色 * max(0,cos夹角(光和法线的夹角))  cos(θ) = 光方向·法线方向

// 普通漫反射
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * dot(worldNormalDir,worldLightDir) * _Color.rgb;

大于90度夹角就认为是黑的

2. 漫反射 半兰伯特光照模型 

公式: 漫反射 Diffuse = 直射光颜色 * max(0,0.5*cos夹角(光和法线的夹角) + 0.5)  cos(θ) = 光方向·法线方向

     // 半兰伯特光照模型 漫反射
     fixed3  halfLambert = 0.5* dot(worldNormalDir,worldLightDir) + 0.5;
     fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * halfLambert * _Color.rgb;

0-180度渐变,只有跟光方向180度夹角才会黑,也是渐变过去的

 float halfLambert = dot(worldNormalDir,worldLightDir)*0.5 + 0.5;

这个公式怎么来的呢?请看下面3张图

// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'

/*   什么是光照模型 
光照模型就是一个公式,使用这个公式来计算某个点的光照效果
标准光照模型
在标准光照模型里面,我们把进入摄像机的光分为下面四个部分:
1.自发光
2.高光反射 Specular
3.环境光

4.漫反射 Diffuse = 直射光颜色 * max(0,cos夹角(光和法线的夹角))
当光和法线方向为单位向量的时候,可得公式: cos(θ) = 光方向·法线方向

一些公式 a · b = |a| × |b| × cos(θ)
其中：
|a| 是 矢量 a 的量值
|b| 是 矢量 b 的量值
θ 是 a 和 b 之间的 角度

点积的值:
u的大小、v的大小、u,v夹角的余弦。在u,v非零的前提下，点积如果为负，则u,v形成的角大于90度；如果为零，那么u,v垂直；如果为正，那么u,v形成的角为锐角。
两个单位向量的点积得到两个向量的夹角的cos值，通过它可以知道两个向量的相似性，利用点积可判断一个多边形是面向摄像机还是背向摄像机。
向量的点积与它们夹角的余弦成正比，因此在聚光灯的效果计算中，可以根据点积来得到光照效果，如果点积越大，说明夹角越小，则物体离光照的轴线越近，光照越强。

*/

Shader "Unlit/sLight"
{
    Properties
    {
        _Diffuse("Diffuse Color",Color)=(1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            // 只有定义了正确的 LightMode, 才能得到一些 Untiy的内置光照变量
            // 添加这个 LightMode 会在 Unity2020.1.5 Urp项目中无法显现效果
            // Tags{"LightMode"="ForwardBase"}

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 包含 Unity的内置文件,才可以使用 unity内置的一些变量
            #include "Lighting.cginc"
            #include "UnityCG.cginc"
            
            fixed4 _Diffuse;


            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float4 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                fixed3 color : COLOR0;
                fixed3 worldNormalDirFrag:TEXCOORD0;
            };

            v2f vert (a2v v)
            {
                v2f o;
                // 顶点转到 剪裁空间
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.worldNormalDirFrag = normalize(UnityObjectToWorldNormal(v.normal));
                return o;
                /*   顶点运算漫反射     

                // 世界空间法线方向计算第一种方式 需引入  #include "UnityCG.cginc"
                float3 worldNormalDir = normalize(UnityObjectToWorldNormal(v.normal));
                //世界空间法线方向计算第二种方式
                //float3 worldNormalDir = normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject));
                
                // 世界空间光的方向 对于每个顶点来说,光的位置就是光的方向,因为光是平行光
                float3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                
                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;

                // 漫反射 Diffuse = 直射光颜色 * max(0,cos夹角(光和法线的夹角))  cos(θ) = 光方向·法线方向
                fixed3 diffuse= _LightColor0.rgb * max(0,dot(worldNormalDir,worldLightDir))*_Diffuse.rgb;

                // 为啥 _Diffuse.rgb用乘, ambient用加法呢?
                // 因为 环境光是 4种光之一,漫反射光+环境光会增强,而 _Diffuse.rgb 只是漫反射的颜色,它属于漫反射的一部分
                o.color = diffuse + ambient; 
                return o;*/
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 世界空间法线方向计算第一种方式 需引入  #include "UnityCG.cginc"
                float3 worldNormalDir = normalize(i.worldNormalDirFrag);

                // 世界空间光的方向 对于每个顶点来说,光的位置就是光的方向,因为光是平行光
                float3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                
                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;

                // // 普通漫反射 Diffuse = 直射光颜色 * max(0,cos夹角(光和法线的夹角))  cos(θ) = 光方向·法线方向
                // fixed3 diffuse= _LightColor0.rgb * max(0,dot(worldNormalDir,worldLightDir))*_Diffuse.rgb;

                // 半兰伯特光照模型 max() 函数不需要了 因为这个时候它的值已经不会小于0了
                float halfLambert = dot(worldNormalDir,worldLightDir)*0.5 + 0.5;
                fixed3 diffuse= _LightColor0.rgb * halfLambert *_Diffuse.rgb;

                fixed3 col = diffuse + ambient;
                return fixed4(col,1);
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Diffuse"
}

3.高光反射

公式: 高光 Specular =直射光* pow(max(cosx,0),10)*反射光颜色   cosx=dot(反射光方向,视野方向)

  // 反射光方向 = reflect(入射光方向 , 法线方向) 
  //那么问题来了 ,下面这个worldLightDir为啥要加负号呢?
  // 因为worldLightDir 是点到顶光坐标的方向,而我们需要的事 光到顶点的入射光方向
  fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir,worldNormalDir));
  // 高光
  fixed3 specular =  _LightColor0.rgb * pow(max(0,dot(reflectDir,worldViewDir)),_Gloss )* _SpeularColor.rgb;

这个网站完整公式没法绘制 尴尬 我口述一下把 

1图,max(cos(x),0) 就不会有小于0的值,

2,3图 pow(cos(x),10) 当 10这个值越大,线就越陡峭,高光区域也就越小, 只看x < (3.14/2),即Cos(x)小于等于90度的情况,后面的陡峭便是需要加max()函数的理由, pow(max(cosx,0),10),当大于90度时,max(cos(x),0)都为0,所以pow(max(cosx,0),10)大于90度的值肯定也是0

,

/* 
高光 Specular =直射光* pow(max(cosx,0),10)*反射光颜色   x=dot(反射光方向,视野方向)

 */
Shader "Tint/Specular"{
    Properties {
        _Color("Color",Color)= (1,1,1,1)
        _SpeularColor("Specular Color",Color) = (1,0,0,1)
        _Gloss("Gloss",Range(1,200)) = 10

    }
    SubShader{
        Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
        Pass{
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"
            #include "UnityCG.cginc"

            fixed4 _Color;
            fixed4 _SpeularColor;
            half _Gloss;

            struct a2v{
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal: NORMAL;
            };
            struct v2f{
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float3 worldNormal: TEXCOORD0;
                float3 worldView: TEXCOORD1;
            };

            v2f vert(a2v v){
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                // Mul(x,_World2Object) 对象空间转世界空间
                // Mul(_World2Object,x) 世界空间转对象空间
                // 摄像机世界坐标  _WordSpaceCameraPos.xyz
                //  为什么_WordSpaceCameraPos.xyz要加.xyz呢? 因为 v.vertex 是4阶的 而我们只需要xyz即可
                o.worldView = _WorldSpaceCameraPos.xyz-mul(v.vertex,unity_WorldToObject).xyz;
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f f):SV_TARGET{
                // 世界法线单位向量
                fixed3 worldNormalDir = normalize(f.worldNormal);

                // 世界光方向单位向量
                fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                // 半兰伯特
                fixed3  halfLambert = 0.5* dot(worldNormalDir,worldLightDir) + 0.5;
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * halfLambert * _Color.rgb;

                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;

                // 世界空间视野方向
                fixed3 worldViewDir = normalize(f.worldView );

                // 反射光方向 = reflect(入射光方向 , 法线方向) 
                //那么问题来了 ,下面这个worldLightDir为啥要加负号呢?
                // 因为worldLightDir 是点到顶光坐标的方向,而我们需要的事 光到顶点的入射光方向
                fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir,worldNormalDir));

                // 高光
                fixed3 specular =  _LightColor0.rgb * pow(max(0,dot(reflectDir,worldViewDir)),_Gloss )* _SpeularColor.rgb;

                // 最后渲染颜色
                fixed3 finalCol = ambient + diffuse + specular;


                return fixed4(finalCol,1);
            }


            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Diffuse"
}

4. Blinn-Phone 高光光照模型

公式: Blinn-Phone Specular =直射光* pow(max(cosx,0),10)*反射光颜色   x= cosx=dot(平行光方向和视野方向之间的平分线方向,法线方向)

 // 平行光方向 = 世界光方向 + 世界视野方向  两个向量相加就是他们之间的平方线

 fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir+worldViewDir);

fixed3 specular =  _LightColor0.rgb * pow(max(0,dot(worldNormalDir,halfDir)),_Gloss )* _SpeularColor.rgb;

/* 
Blinn-Phone高光 Specular =直射光* pow(max(cosx,0),10)*反射光颜色   x=平行光方向和视野方向的平分线
 */
Shader "Tint/sBlinnPhoneSpecular"{
    Properties {
        _Color("Color",Color)= (1,1,1,1)
        _SpeularColor("Specular Color",Color) = (1,0,0,1)
        _Gloss("Gloss",Range(1,200)) = 10

    }
    SubShader{
        Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
        Pass{
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"
            #include "UnityCG.cginc"

            fixed4 _Color;
            fixed4 _SpeularColor;
            half _Gloss;

            struct a2v{
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal: NORMAL;
            };
            struct v2f{
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float3 worldNormal: TEXCOORD0;
                float3 worldView: TEXCOORD1;
            };

            v2f vert(a2v v){
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                // Mul(x,_World2Object) 对象空间转世界空间
                // Mul(_World2Object,x) 世界空间转对象空间
                // 摄像机世界坐标  _WordSpaceCameraPos.xyz
                //  为什么_WordSpaceCameraPos.xyz要加.xyz呢? 因为 v.vertex 是4阶的 而我们只需要xyz即可
                o.worldView = _WorldSpaceCameraPos.xyz-mul(v.vertex,unity_WorldToObject).xyz;
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f f):SV_TARGET{
                // 世界法线单位向量
                fixed3 worldNormalDir = normalize(f.worldNormal);

                // 世界光方向单位向量
                fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                // 半兰伯特
                fixed3  halfLambert = 0.5* dot(worldNormalDir,worldLightDir) + 0.5;
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * halfLambert * _Color.rgb;

                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;

                // 世界空间视野方向
                fixed3 worldViewDir = normalize(f.worldView );

                // 平行光方向 = 世界光方向 + 世界视野方向  两个向量相加就是他们之间的平方线
                fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir+worldViewDir);
                // Blinn-Phone高光
                fixed3 specular =  _LightColor0.rgb * pow(max(0,dot(worldNormalDir,halfDir)),_Gloss )* _SpeularColor.rgb;

                // 最后渲染颜色
                fixed3 finalCol = ambient + diffuse + specular;


                return fixed4(finalCol,1);
            }


            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Diffuse"
}