【Unity】三渲二Shader学习记录（持续更新）

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【UnityShader】 三渲二渲染学习笔记

跟B站上的一个大大学的【虚幻&Unity】两种引擎 原神风格基础卡通渲染 完整流程，现趁忘记之前赶紧记下所有细节()

完成画面↓

首先是重中之重，Shader的参数部分

参数

可控参数如下

环境颜色 Ambient Color

​ 用于调整整体色彩倾向

漫反射颜色 Diffuse Color

​ 用于调整亮面色彩倾向

阴影颜色 Shadow Color

​ 用于调整暗面色彩倾向

基础贴图 Base Tex

​ 用于最基础的漫反射贴图

基础贴图影响因子 Base Tex Fac

​ 用于调整漫反射贴图的贡献（影响大小）

卡通贴图 Toon Tex

​ 用于将法向朝向地面的面的亮度压低，提高立体感

卡通贴图影响因子 Toon Tex Fac

​ 调整卡通贴图贡献

球形纹理 Sphere Tex

​ 提供球形纹理的反射颜色

球形纹理影响因子 Sphere Tex Fac

​ 调整球形纹理贡献

球形纹理乘或加 Sphere Mul/Add

​ 更改球形纹理混合方式，通常Add会使影响更加明显

双面渲染 Double Sided

​ 控制是否进行双面渲染

透明度 Alpha

​ 控制是否透明

金属贴图 Metal Tex

​ 控制确认金属部分

高光分布 Spec Exponent

​ 控制高光的散步范围（越小越集中，类似镜面反射）

非金属反射 Non-Metallic

​ 控制非金属反射强度

金属反射 Metallic

​ 控制金属反射强度

法线贴图 Normal Map

​ 表面细节

ID图 ILM

​ 区分各种部分

阴影分割图和对应行 Ramp Tex

​ 提高光线的层次感

描边粗度和对应颜色

​ 进行描边

实现部分

ShadowCaster

该Pass负责Unity中的阴影投射和阴影接收，以下是其默认实现

Pass { Name "ShadowCaster" Tags{"LightMode" = "ShadowCaster"} ZWrite On ZTest LEqual ColorMask 0 Cull Off HLSLPROGRAM #pragma exclude_renderers gles gles3 glcore #pragma target 4.5 // ------------------------------------- // Material Keywords #pragma shader_feature_local_fragment _ALPHATEST_ON #pragma shader_feature_local_fragment _SMOOTHNESS_TEXTURE_ALBEDO_CHANNEL_A //-------------------------------------- // GPU Instancing #pragma multi_compile_instancing #pragma multi_compile _ DOTS_INSTANCING_ON // ------------------------------------- // Universal Pipeline keywords // This is used during shadow map generation to differentiate between directional and punctual light shadows, as they use different formulas to apply Normal Bias #pragma multi_compile_vertex _ _CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW #pragma vertex ShadowPassVertex #pragma fragment ShadowPassFragment #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitInput.hlsl" #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/ShadowCasterPass.hlsl" ENDHLSL } 

DepthNormals

这个pass通常用于需要获取摄像机、屏幕深度的场景，比如rim轮廓光

// This pass is used when drawing to a _CameraNormalsTexture texture Pass { Name "DepthNormals" Tags{"LightMode" = "DepthNormals"} ZWrite On Cull Off HLSLPROGRAM #pragma exclude_renderers gles gles3 glcore #pragma target 4.5 #pragma vertex DepthNormalsVertex #pragma fragment DepthNormalsFragment // ------------------------------------- // Material Keywords #pragma shader_feature_local _NORMALMAP #pragma shader_feature_local _PARALLAXMAP #pragma shader_feature_local _ _DETAIL_MULX2 _DETAIL_SCALED #pragma shader_feature_local_fragment _ALPHATEST_ON #pragma shader_feature_local_fragment _SMOOTHNESS_TEXTURE_ALBEDO_CHANNEL_A //-------------------------------------- // GPU Instancing #pragma multi_compile_instancing #pragma multi_compile _ DOTS_INSTANCING_ON #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitInput.hlsl" #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitDepthNormalsPass.hlsl" ENDHLSL } 

DrawObject

该Pass负责进行模型的绘制

数据结构部分

首先是带入顶点着色器的appdata

struct appdata { float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; half3 normal : NORMAL; half4 tangent : TANGENT; half4 color : COLOR0; }; 

POSITION代表着顶点的位置信息

TEXCOORD0代表着第一套UV信息，Shader中支持多个UV信息，如漫反射UV，光照贴图UV，动态光照UV等。该参数在内置管线限制为4个，在URP中没有限制，具体视平台限制而定

NORMAL即法线信息

TANGENT是顶点的切线信息，Normal垂直于表面，切线切过表面，二者互相垂直

COLOR0即顶点颜色

接着是片元着色器所需要的数据结构v2f

struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; float3 positionWS : TEXCOORD1; float3 positionVS : TEXCOORD2; float4 positionCS : SV_POSITION; float4 positionNDC : TEXCOORD3; float3 normalWS : TEXCOORD4; float3 tangentWS : TEXCOORD5; float3 bitangentWS : TEXCOORD6; float fogCoord : TEXCOORD7; float4 shadowCoord : TEXCOORD8; }; 

uv负责采样大部分贴图

世界，模型，摄像机，标准屏幕坐标系四个空间下的片元位置

世界空间下的法线，切线，副切线的片元所在面朝向向量

fogCoord和shadowCoord是两个雾效

顶点着色器

v2f vert(appdata v) { v2f o; VertexPositionInputs vertexInput = GetVertexPositionInputs(v.vertex.xyz); o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _BaseTex); o.positionWS = vertexInput.positionWS; o.positionVS = vertexInput.positionVS; o.positionCS = vertexInput.positionCS; o.positionNDC = vertexInput.positionNDC; VertexNormalInputs vertexNormalInput = GetVertexNormalInputs(v.normal, v.tangent); o.tangentWS = vertexNormalInput.tangentWS; o.bitangentWS = vertexNormalInput.bitangentWS; o.normalWS = vertexNormalInput.normalWS; o.fogCoord = ComputeFogFactor(vertexInput.positionCS.z); o.shadowCoord = TransformWorldToShadowCoord(vertexInput.positionWS); return o; } 

GetVertexPositionInputs函数，通过输入顶点坐标，获得对应的顶点信息，所有顶点位置都由其获得

GetVertexNormalInputs函数，通过输入法向和切线，返回对应的顶点的法线相关信息

后面通过对应函数计算fogCoord和shadowCoord，提交返回构造好的v2f

片元着色器

定义函数参数

float4 frag(v2f i, bool isFacing : SV_IsFrontFace) : SV_Target 

返回一个rgba值表示片元颜色，接收收到的v2f，接收isFacing判断正反面

SV_Target用于多目标渲染，在后面加上序号（从0开始，不加也是0），可一次渲染到多个渲染目标

获取基础信息

先获取光照信息，使用如下函数

Light light = GetMainLight(i.shadowCoord); 

接着，采样法线贴图，并将其转换为切线空间

float4 normalMap = tex2D(_NormalMap, i.uv); float3 normalTS = float3(normalMap.ag * 2 - 1, 0); normalTS.z = sqrt(1 - dot(normalTS.xy, normalTS.xy)); 

• normalMap.ag：这表示从法线贴图中采样出的红色（a通道）和绿色（g通道）分量。
• normalMap.ag * 2 – 1：这一步将采样到的a和g通道值进行缩放和偏移，将其映射到[-1, 1]的范围内。这是因为法线贴图的a和g通道通常存储在[0, 1]范围内，而法线向量在计算中常常需要在[-1, 1]范围内表示。
• float3(…, 0)：将得到的a和g通道值作为X和Y分量，构成一个三维向量，Z分量设置为0。这样构造的normalTS向量表示了法线向量在切线空间（Tangent Space）的局部方向。
• normalTS.xy ：这是normalTS向量的X和Y分量，即法线在切线空间中的水平和垂直分量。
• dot(normalTS.xy, normalTS.xy) ：这是法线在切线空间中水平和垂直分量的长度的平方。
• 1 – dot(normalTS.xy, normalTS.xy) ：这是用来计算法线在切线空间中Z分量的平方。因为法线向量在切线空间中是单位向量，所以其X、Y、Z分量的平方和应该等于1。
• sqrt(…) ：对上述值进行平方根运算，得到Z分量的实际值。

然后求出基本数据和对应点乘

//N 世界空间法线向量 V 摄像机向量 L 光线向量 H 半角向量 float3 N = normalize(mul(normalTS, float3x3(i.tangentWS, i.bitangentWS, i.normalWS))); float3 V = normalize(mul((float3x3)UNITY_MATRIX_I_V, i.positionVS * (-1))); float3 L = normalize(light.direction); float3 H = normalize(V + L); float NoL = dot(N, L); float NoH = dot(N, H); float NoV = dot(N, V); float3 normalVS = normalize(mul((float3x3)UNITY_MATRIX_V, N)); float2 matcapUV = normalVS.xy * 0.5 + 0.5; 

N：一个3×3的浮点数矩阵，用来将世界空间中的切线、副切线和法线向量组合起来。这种方式通常被用来构建一个从世界空间到切线空间（Tangent Space）的转换矩阵。将其与切线normalTS相乘，最终可得到世界空间下的法线。

V：这是将逆视图矩阵的旋转-缩放部分应用于顶点位置的处理。通过这个乘法，我们得到了一个在世界空间中相对于相机视角反向的方向向量。

L：将光线方向规格化。

H：半角向量，计算了光源方向向量L和视角方向向量V的平均方向，即半向量H，并确保它是一个单位向量。这在光照模型中是常见的步骤，用于确定表面的高光反射方向。

NoL：表示光线与表面的夹角关系，越大表明光线与表面越垂直，越小表示越平行，如果直接点乘，则结果为负时，照在表面正方向，为正则照在表面负方向。在光照模型中，NoL用来计算漫反射光的强度，即光线在表面上的投影对光照强度的影响。

NoH：半向量H代表了光源和视角的平均方向，对于镜面反射效果尤为重要。NoH的值告诉我们光线和视角之间的夹角余弦值，这在光照模型中用来计算高光反射的强度。较大的NoH值表示更强的镜面高光效果。

NoV：NoV告诉我们观察者视角下表面的朝向情况，其值越大表明表面法线越朝向观察者，越小则越背向。在光照模型中，NoV通常用来模拟视角相关的效果，如环境反射或透视效果的强度。

normalVS:

• UNITY_MATRIX_V：这是Unity中的一个预定义变量，表示视图矩阵。视图矩阵用来将物体从世界空间转换到相机空间或观察空间。
• N：法线向量，通常在顶点着色器中计算并传递给片元着色器。
• (float3x3)UNITY_MATRIX_V：将UNITY_MATRIX_V强制转换为float3x3类型的矩阵，用于乘法操作。
• mul((float3x3)UNITY_MATRIX_V, N)：这行代码将法线向量N从物体空间（或世界空间）变换到相机空间。因为UNITY_MATRIX_V是视图矩阵，它的作用是将物体坐标变换到相机坐标系下。
• normalize(…)：对变换后的法线向量进行归一化，确保其长度为1，保持单位长度的方向向量。

经过视图矩阵变换并归一化后的法线向量，在视图空间中表示的表面法线方向。

matcapUV:

• normalVS.xy：这是视图空间中的法线向量的xy分量，即水平和垂直分量。
• 0.5：这个数值用来将法线向量的范围缩小到0到1之间。
• + 0.5：这个操作将归一化后的法线向量范围从[-1, 1]映射到[0, 1]之间。

是法线向量在Matcap贴图中的UV坐标。Matcap贴图通常用来实现表面上的高光效果，其UV坐标的计算基于表面法线向量在视图空间中的投影。