unityshader精要7

纹理

我们通常用一张纹理代替物体漫反射

单纹理贴图

代码

// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'

Shader "Unity Shaders Book/Chapter7/SingleTexture"{

    Properties{
        _Color("Color Tint",Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex("Main Tex",2D) = "white"{}
        _Specular("Specular",Color) = (1,1,1,1)
        _Gloss("Gloss",Range(8.0,256)) = 20

    }

    SubShader{
        Pass{
            Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"

            fixed3 _Color;
            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST; //TRANSFORM_TEX主要作用是拿顶点的uv去和材质球的tiling和offset作运算， 确保材质球里的缩//放和偏移设置是正确的。 （v.texcoord就是顶点的uv）
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            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 = v.texcoord.xy + _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_MainTex);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET{
                //get normal
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                //get lightdir
                fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); //输入世界坐标，返回该点到光源方向
                //拿采样结果和color的乘积作为反射率
                fixed3 albedo = tex2D(_MainTex,i.uv).rgb * _Color.rgb;

                //计算环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;

                //计算漫反射
                fixed3 diffuse =  _LightColor0.rgb * albedo.rgb * max(0,dot(worldNormal,worldLightDir));

                //朝向光源
                fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));//_WorldCameraPos - o.wroldPos(not normalized)
                //halfDir代替出射光,worldLightDir指向交点
                fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
                //计算高光,发现reflect*viewDir 变成了normal*halfDir
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(worldNormal , halfDir)),_Gloss);

                return fixed4(ambient + diffuse + specular,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }

    Fallback "Specular"
}

中间由于将halfDir 、diffuse声明为fixed，导致高光方向错误

o.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;

tilling 和 offset==> 平铺和偏移系数

凹凸映射

分为高度贴图和法线贴图；前者记录深度值，后者记录法线，一般法线映射认为是凹凸贴图的等价（实际不然）

而法线纹理中，又分为模型空间下的和切线空间下的，一般用切线空间下的法线贴图更方便

切线空间指的是以某点切线、副切线、法线为三个坐标轴的空间（副切线有时也称为Binormal)

切线空间下的光照模型的计算

计算副法线Binormal

// Compute the binormal 
//float3 binormal = cross (normalize (v . normal), normalize (v. tangent. xyz )) * 
v . tangent.w; 
//Cons rue matrix which transform vectors from object space to tangent spac e 
//float3x3 rotation= float3x3(v . tangent . xyz , binormal, no mal)
//Or just use the built-in macro 
TANGENT SPACE ROTATION;

如果再法线纹理中没有设置为Normal Map,需要再代码中手动设置；这是为了方便Unity优化法线纹理的存储压缩

//Or mark the texture as "Noramal Map"
tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);
tangentNormal.xy *= _BumpScale; //控制凹凸程度
tangentNormal.z = sqrt(1.0-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));//由于是单位矢量，直接计算出z

使用tex2D返回_BumpMap的采样

fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap,i.uv.zw);

结果

世界空间下计算光照

插值寄存器只能存放最大float4,无法存放矩阵，所以声明三个float4

 struct v2f{
                float4 pos : SV_POSITION;
                float4 uv : TEXCOORD0;
                // float3 lightDir : TEXCOORD1;
                // float3 viewDir : TEXCOORD2;

                //WorldSpace
                float4 TtoW0 : TEXCOORD1;
                float4 TtoW1 : TEXCOORD2;
                Float4 TtoW2 : TEXCOORD3;
            };
v2f vert(a2v v){
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                //一个uv存两张图
                o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
                o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw; 

                //WorldSpace-----------
                fixed3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
                fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
                fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal,worldTangent) * v.tangent.w;//叉乘
                
                //Compute transform matrix
                o.TtoW0 = float4(worldTangent.x,worldBinormal.x,worldNormal.x,worldPos.x);
                o.TtoW1 = float4(worldTangent.y,worldBinormal.y,worldNormal.y,worldPos.y);
                o.TtoW2 = float4(worldTangent.z,worldBinormal.z,worldNormal.z,worldPos.z);

                //---------------------
                // //计算副法线
                // TANGENT_SPACE_ROTATION;

                // //将模型空间的光线变换到切线空间中
                // o.lightDir = mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex).xyz);
                // //同时将视角方向传递到切线空间
                // o.viewDir = mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex).xyz);
                return o;
            }
            
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{
                
                //get worldpos
                fixed3 worldPos = float3(i.TtoW0.w,i.TtoW1.w,i.TtoW2.w);

                //compute light and view dir
                fixed3 lightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos));
                fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));

                
                fixed3 bump= UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, i.uv.zw));
                bump.xy *= _BumpScale ; 
                bump.z = sqrt(1.0- saturate(dot(bump.xy, bump.xy))); 
                // Transform the normal from tangent space to wo ld space 
                bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz, bump), dot(i.TtoW1.xyz,bump), 
                dot(i.TtoW2.xyz, bump)));


                //-------------
                 //tex2d 返回float4,普通纹理返回颜色值 bump则是法向量
                fixed3 albedo = tex2D(_MainTex,i.uv).rgb * _Color.rgb;

                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;

                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0,dot(bump,lightDir));

                fixed3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);

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


                return fixed4(ambient + diffuse + specular,1.0);
            }  

CreateFromGrayscale 用高度图生成切线空间法线纹理

Chapter7

渐变纹理

冷色调转暖色调，编写卡通风格Unity Shader（记录：区别BlinnPhong和Phong高光计算，另外如果计算新的漫反射albedo,就不用声明_Diffuse来计算diffuse）

代码

fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET{
               fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
               fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));

               fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;  //

               //使用纹理来采样漫反射,使用半兰伯特模型
               fixed halfLambert = 0.5 * dot(worldNormal,worldLightDir) + 0.5;
               fixed3 diffuseColor = tex2D(_RampTex,fixed2(halfLambert,halfLambert)).rgb * _Color.rgb;

               fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * diffuseColor;

               //计算高光BlinnPhong模型
               fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
               fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
               fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)),_Gloss);
               
               return fixed4(ambient + diffuse + specular,1.0);
           }

注意使用fixed2(halfLambert,halfLambert)会发生大于1的情况（1.0001）,这样映射到模型上会出现黑点

此时需要将纹理的WrapMode从Repeat(重复，但是最左边是黑色的）换成Clamp(大于1取1)

image-20220820110835470

遮罩纹理

使用高光遮罩纹理，遮罩纹理用于更加细致地控制高光反射光强度

变量声明

fixed4 _Color;
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
sampler2D _BumpMap;
//float4 _BumpMap_ST;
float _BumpScale;
sampler2D _SpecularMask;
//float4 _SpecularMask_ST;
float _SpecularScale;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;

这里 _ BumpMap、_ Specular和_MainTex共用一个ST

如果每个纹理都需要不同的平铺系数和偏移系数，那么纹理数目增加顶点着色器中的插值寄存器会迅速被占满。

流程

1.该实验使用了三个纹理，分别是基本纹理，切线空间的法线纹理（凹凸贴图），高光遮罩纹理

2.计算是逐像素计算，计算是在切线空间下进行（一定要明确在哪个空间下进行），diffuse用lambert模型

specular用BlinnPhong模型

3.o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex;三张纹理共用同一套uv

结果

加上遮罩贴图后高光更加暗淡和谐

uTools_1660974045813

高级纹理

立方体纹理（CubeMap)

立方体纹理映射技术是实现环境映射的一种方法，还应用于Skybox

1.新建skybox类型的材质，填充6张中级篇Chapter10，设置为Wrap Mode设置为Clamp使得衔接顺畅;

2.创建用于环境映射的CubeMap

环境映射技术最常见的应用是反射和折射

• 反射

lerp(y1,y2,weight) = y1 + (y2-y1)*weight;

fixed3 reflection = texCUBE(_CubeMap,i.worldRefl).rgb * _Reflection.rgb;//在立体纹理中采样

UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten,i,i.worldPos);
float3 color = ambient + lerp(diffuse,reflection,_ReflectionAmount) *atten;//有反射，无高光

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• 折射(Refraction)

​ 计算折射

uTools_1661213306951

斯涅尔定律(Snell's law)，m1 sin(a) = m2 sin(a2)，m1,m2 分别为折射率。真空折射率是1，玻璃的折射率是1.5

玻璃一般分为两次折射，但第二次折射较复杂，一般只模拟第一次折射。

uTools_1661218211269

菲涅耳反射

（Fresnel Reflection)

比如看远处的水会反光，这就是菲涅耳反射；不仅透明物体，很多不透明物体或多或少都存在菲涅耳反射。

F(V ,D)=F0+(l-F0)(1-v·n)^5

fixed fresnel = _FresnelScale + (1-_FresnelScale) * pow(1-dot(worldViewDir,worldNormal),5);
fixed3 color = ambient + lerp(diffuse, reflection, saturate(fresnel)) * atten;
return fixed4(color, 1.0);

渲染目标纹理

现代GPU允许将三维场景渲染到中间缓冲，即渲染目标纹理（Render Target Texture)

使用渲染纹理模拟镜子效果

见P219

玻璃效果

to be studyed

程序纹理

SetProperty，该插件用于在Unity面板上修改材质属性，并通过_UpdateMaterial()函数来使用新的属性生成程序纹理。

示例 :ProceduralTextureGeneration.cs

代码首先初始化 维纹理，并且提前计算了 些生成纹理时需要的变队。然后，使用了

个两层的嵌套循环遍历纹理中的每个像素，并在纹理七依次绘制 个圆形 。最后，调用

Texture2D.Apply 函数来强制把像素值写入纹理中，并返回该程序纹理。

unity中有一种程序材质专门使用程序纹理。而程序纹理是通过算法实现的效果。