【Unity3D】顶点和片段着色器

1 前言

上文介绍了渲染管线、固定管线着色器和表面着色器，如下：

固定管线着色器通过命令方式实现光照和贴图等效果，表面着色器通过给 SurfaceOutput 赋值实现光照、贴图和法线贴图等效果，它们都不用关注光照算法是如何实现的，只需要传值就行。

顶点和片段着色器给用户提供了更灵活的用法，但使用也更困难。另外，顶点着色器可以通过控制 MVP 矩阵变换实现对模型位置和姿态的控制。

2 固定颜色

在 Assets 窗口右键，依次选择【Create→Shader→Standard Surface Shader】创建 Shader 脚本，实现固定颜色 Shader 代码如下：

VFShader.shader

Shader "MyShader/VFShaderTest" {
	Properties
	{
		// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
		_MainColor ("显示颜色", Color) = (1, 0, 0, 1)
	}

	SubShader
	{
		Pass
		{
			CGPROGRAM // CG语言的开始
			// 编译指令 着色器名称 函数名称
			#pragma vertex vert // 顶点着色器, 每个顶点执行一次
			#pragma fragment frag // 片段着色器, 每个像素执行一次
			// 导入头文件
			#include "UnityCG.cginc"

			// 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
			fixed4 _MainColor;

			// 顶点着色器, 输入模型坐标, 输出屏幕坐标
			half4 vert(half4 vertexPos: POSITION): SV_POSITION
			{
				// 将模型坐标转换为屏幕坐标
				return UnityObjectToClipPos(vertexPos); // 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, vertexPos)
			}

			// 片段着色器, 输入模型坐标, 输出像素颜色
			fixed4 frag(): COLOR
			{
				return _MainColor;
			}

			ENDCG // CG语言的结束
		}
	}

	FallBack "Diffuse"
}

创建一个 Material，并将 ShaderTest 绑定到该 Material 上，如下：

将该 Material 拖拽到一个 Cube 和 Sphere 游戏对象上。选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口调整 Shader 中固定颜色，显示效果如下：

3 光照

VFShader.shader

Shader "MyShader/VFShaderTest" {
	Properties
	{
		// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
		_DiffuseColor ("漫反射颜色", Color) = (1, 0, 0, 1)
	}

	SubShader
	{
		Pass
		{
			Tags {"LightMode"="ForwardBase"}
			CGPROGRAM // CG语言的开始
			// 编译指令 着色器名称 函数名称
			#pragma vertex vert // 顶点着色器, 每个顶点执行一次
			#pragma fragment frag // 片段着色器, 每个像素执行一次

			// 导入头文件
			#include "UnityCG.cginc"

			// 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
			fixed4 _DiffuseColor;

			struct appdata // 顶点函数输入结构体
			{
				half4 vertexPos: POSITION; // 顶点坐标
				half3 vertexNormal: NORMAL; // 顶点法线向量
			};

			struct v2f // 顶点函数输出结构体
			{
				half4 screenPos: SV_POSITION; // 屏幕坐标
				half3 screenNormal: Normal; // 屏幕法线向量
			};

			// 顶点着色器, 输入模型坐标, 输出v2f
			v2f vert(appdata data)
			{
				v2f o;
				o.screenPos = UnityObjectToClipPos(data.vertexPos); // 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, data.vertexPos)
				o.screenNormal = mul(half4(data.vertexNormal, 1), unity_WorldToObject).xyz; // 将顶点法线转换为屏幕法线
				return o;
			}

			// 片段着色器, 输入模型坐标, 输出像素颜色
			fixed4 frag(v2f input): COLOR
			{
				half3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0); // 光源照射方向向量, 由顶点指向光源
				half3 normalDir = normalize(input.screenNormal);
				// return _DiffuseColor * saturate(dot(lightDir, normalDir)) + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT; // Lambert光照模型
				return _DiffuseColor * (0.5 * dot(lightDir, normalDir) + 0.5) + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT; // 半Lambert光照模型
			}

			ENDCG // CG语言的结束
		}
	}

	FallBack "Diffuse"
}

选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口调整 Shader 中光照颜色，显示效果如下：

4 贴图

VFShader.shader

Shader "MyShader/VFShaderTest" {
	Properties
	{
		// 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
		_MainTex ("2阶贴图", 2D) = "white" {}
	}

	SubShader
	{
		Pass
		{
			Tags {"LightMode"="ForwardBase"}
			CGPROGRAM // CG语言的开始
			// 编译指令 着色器名称 函数名称
			#pragma vertex vert // 顶点着色器, 每个顶点执行一次
			#pragma fragment frag // 片段着色器, 每个像素执行一次

			// 导入头文件
			#include "UnityCG.cginc"

			// 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
			sampler2D _MainTex;

			struct appdata // 顶点函数输入结构体
			{
				half4 vertexPos: POSITION; // 顶点坐标
				half2 uv_MainTex: TEXCOORD0; // 纹理uv坐标
			};

			struct v2f // 顶点函数输出结构体
			{
				half4 screenPos: SV_POSITION; // 屏幕坐标
				half2 uv_MainTex: TEXCOORD0; // 纹理uv坐标
			};

			// 顶点着色器, 输入模型坐标, 输出v2f
			v2f vert(appdata data)
			{
				v2f o;
				o.screenPos = UnityObjectToClipPos(data.vertexPos); // 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, data.vertexPos)
				o.uv_MainTex = data.uv_MainTex;
				return o;
			}

			// 片段着色器, 输入模型坐标, 输出像素颜色
			fixed4 frag(v2f input): COLOR
			{
				return tex2D(_MainTex, input.uv_MainTex);
			}

			ENDCG // CG语言的结束
		}
	}

	FallBack "Diffuse"
}

选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择贴图图片，显示效果如下：