基於 Unity 引擎的遊戲開發進階之著色器（Shader）入門 & 圖形特效

01-26

著色器的定義

著色器本質上是一種運行在顯卡 CPU 上的程序，用於控制顯卡的圖形渲染過程。CPU 運行的程序通常用彙編語言，或者 C++、Java 等高級語言編寫。GPU 採用的是不同於 CPU 的並行計算結構，需要一種適用於 GPU 的編程語言，於是就有了著色器語言。

著色器語言

HLSL（基於 Direct3D 圖形庫）, GLSL（基於 OpenGL 圖形庫）, Cg（NVidia 與微軟合作研發）

在 Unity 中，所有的渲染都需要通過 Shader 來完成。Unity 內建超過 80 種著色器，開發人員可以使用內建著色器實現各種畫面效果，還可以方便的對其進行擴展。同時，Unity 也允許開發者編寫自己的 Shader。Unity 使用自定義 ShaderLab 開發語言來組織著色器，針對不同平台進行編譯。

材質和著色器

材質定義了物體表面的顯示效果，每個材質必須綁定一個著色器。材質綁定的著色器決定了該材質的渲染方式，以及可配置屬性的類型和數量。

新建一個材質後，我們首先要做的就是為這個材質添加一個著色器。具體的做法是選中材質，在 Inspector 視圖的 Shader 下拉列表中選擇著色器。指定好著色器後，需要配置材質的各個屬性，並在檢視圖下方預覽材質效果。

Unity 內建著色器

為了方便開發者，Unity 提供了超過 80 種內建著色器，能夠實現從簡單的頂點光照，到高光，透明，反射等遊戲中常用的材質效果。
可以在材質的檢視視圖中找到並使用這些著色器
內建著色器按功能分類存放

Unity 內置著色器分類

Standard 和 Standard(Specular setup)：標準著色器
FX：光照，水於玻璃效果著色器
GUI 和 UI ：用戶界面著色器
Mobile：移動平台使用的簡單著色器
Nature：植被和地形著色器
Particles：粒子系統使用的著色器
SkyBox：天空盒等背景環境著色器
Sprites：2D 精靈系統著色器
Unlit：忽略一切光照和陰影效果的著色器
Legacy：過時著色器

Unity5.0 新加入的標準著色器 StandardShader，有選擇的吸收了許多其他不同著色器的特色功能，能滿足大部分的著色器需求，並顯著的簡化工作流程。

標準著色器的可配置屬性雖然種類繁多，但只有設置過的屬性對應的功能才會被開啟，其他未設置屬性對應的功能則保持禁用狀態，因此可以根據具體需求，使用和設置著色器的屬性，不用擔心著色器的性能。

考慮到手機移動設備計算能力有限，Unity 為移動設備提供了一組經過特殊優化的內建著色器。

UnLit：忽略光照和陰影的著色器
VertexLit：頂點光照著色器
Diffuse：漫反射效果
Bumped Diffuse：帶法向貼圖的漫反射著色器
Bumped Specular：帶法向貼圖和鏡面反射效果的漫反射著色器

這些著色器按照計算開銷，從低到高排序，相應地，排列靠後的著色器達到的效果也更好，開發者在使用著色器時，需要在遊戲畫面品質和遊戲性能之間做出權衡，選擇合適的著色器。

Unlit 著色器速度最快，但沒有任何光照和陰影效果，無法在地面上產生陰影，也無法接受其他物體產生的陰影。Vertex Light 頂點光照著色器，它的速度較快，可以產生陰影，但是不會接受陰影。Diffuse 著色器用於計算漫反射效果，具有光照效果。能夠產生陰影，也可以接受陰影。Bumped Diffuse 是帶法向貼圖的漫反射著色器，運用法向貼圖可以在表面看到凸凹的效果。Bumped specular 是帶法向貼圖的高光效果的漫反射著色器，具有高光效果。

Unity 自定義著色器

創建著色器腳本

ShaderLab 著色器腳本結構

Shader "Custom/MyShader"{ Properties{ //Properties 是著色器的屬性，可能是紋理，顏色或者其他參數 } SubShader{ //SubShader 中包含了一個具體的著色器 } SubShader{ //後一個 SubShader 是前一個 SubShader 的簡單版 //當顯卡不支持前一個 SubShader 時，會嘗試後一個 Shader } FallBack "Diffuse" //顯卡不支持前面所有 SubShader 時的選擇}

ShaderLab 支持的著色器類型

固定功能管線著色器 Fixed Function Shaders
頂點和片段著色器 Vertex and fragment shader
表面著色器 Surface shader

固定功能管線著色器

用於不支持高級著色器特性的舊硬體
完全使用 ShaderLab 語言編寫

頂點和片段著色器

頂點和片段著色器功能強大，但複雜難寫。它是 GPU 的編程語言，目前有三種語言可供選擇，分別是基於 Direct3D 圖形庫的 HLSL、基於 OpenGL 的 GLSL、NIVIDIA 與微軟合作開發的 Cg
Unity ShaderLab 支持以上三種語言

表面著色器

表面著色器是 ShaderLab 語言所特有，能使開發者以相對簡便的方式實現複雜的功能
關鍵代碼使用 Cg/HLSL 語言編寫，嵌入到 ShaderLab 的 SubShader 代碼塊
Surface Shader 最終被 Unity 轉換為頂點和片段著色器

編寫一個著色器的準備工作

3D 計算機圖形學的基礎知識，需要理解完整的 3D 圖形學流水線。包括模型變換、顏色、紋理、光照、陰影、渲染路徑等等知識，才能夠深入理解著色器的本質。
學習 GLSL、 Cg 或者 HLSL 中的一門著色器語言用於編寫著色器代碼

HLSL: https://msdn.microsoft.com/en-us/library/bb509561(VS.85).aspx

GLSL: https://www.opengl.org/documentation/glsl/

Cg: https://developer.nvidia.com/cg-toolkit

實現殭屍狂暴效果

創建自定義著色器 body_shader，填入邊緣泛光效果的著色器代碼

Shader "Custom/body_shader" { //表示該著色器的名字，位於材質下拉列表的 Custom 子列表 Properties { _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {} _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5 _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0 _BumpMap ("Bumpmap", 2D) = "bump" {} _RimColor ("Rim Color", Color) = (0.26,0.19,0.16,0.0) _RimPower ("Rim Power", Range(0.5,8.0)) = 3.0 _RimBool ("EnableRim", Range(0.0,1.0)) = 0.0 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 200 CGPROGRAM // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types #pragma surface surf Standard fullforwardshadows // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting #pragma target 3.0 sampler2D _MainTex; struct Input { float2 uv_MainTex; float2 uv_BumpMap; float3 viewDir; }; half _Glossiness; half _Metallic; fixed4 _Color; sampler2D _BumpMap; float4 _RimColor; float _RimPower; float _RimBool; void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) { // Albedo comes from a texture tinted by color fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color; o.Albedo = c.rgb; // Metallic and smoothness come from slider variables o.Metallic = _Metallic; o.Smoothness = _Glossiness; o.Alpha = c.a; o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap)); if(_RimBool >0.5) { half rim = 1.0 - saturate(dot (normalize(IN.viewDir), o.Normal)); o.Emission = _RimColor.rgb * pow (rim, _RimPower); }else{ o.Emission = float4(0,0,0,1); } } ENDCG } FallBack "Diffuse"}

使用 body_shader 著色器，創建具有狂暴效果的殭屍材質 body_rim ，並把它應用到殭屍對象的皮膚渲染器

為殭屍綁定 ZombieRender.cs 腳本，控制狂暴狀態的開啟和關閉

public class ZombieRender : MonoBehaviour { private Renderer[] rends; //殭屍皮膚渲染器數組 private int rendCnt = 0; //殭屍皮膚渲染器數組計數器 void Start() { //獲取殭屍身體各部分的皮膚渲染器 rends = GetComponentsInChildren<SkinnedMeshRenderer>(); //獲取皮膚渲染器的個數 rendCnt = rends.Length; } //進入狂暴模式 public void SetCrazy() { //把殭屍皮膚渲染器材質屬性EnableRim，在著色器中名為_RimBool，設置為1.0開啟狂暴效果。 for(int i=0;i<rendCnt;i++) rends [i].material.SetFloat ("_RimBool", 1.0f); } //進入正常（非狂暴）模式 public void SetNormal() { //把殭屍皮膚渲染器材質屬性EnableRim，在著色器中名為_RimBool，設置為0.0關閉狂暴效果。 for(int i=0;i<rendCnt;i++) rends [i].material.SetFloat ("_RimBool", 0.0f); }}

修改殭屍 AI 腳本，是殭屍只在搜索，追蹤和攻擊狀態下呈現出周身泛出血紅色光芒的效果

//進入狂暴狀態if(zombieRender!=null)zombieRender.SetCrazy();

//進入普通狀態if(zombieRender!=null)zombieRender.SetNormal();

附加

Unity著色器：

固定功能管線著色器的Unity官方教程

頂點和片段著色器的Unity官方教程

表面著色器的Unity官方教程

著色器編程語言：

HLSL著色器語言官方網站

GLSL著色器語言官方網站

Cg著色器語言官方網站

圖像特效 Image Effect

Image Effect 圖像特效技術，對遊戲渲染出的畫面進行後期處理，可以為遊戲帶來豐富的視覺效果。

圖像特效資源

圖像特效資源通常是一個腳本文件，該腳本包含一個繼承了 MonoBehaviour 的類，實現了 OnRenderImage 函數。

public class ExampleClass : MonoBehaviour{ public Material mat; void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest){ Graphics.Blit(src, dest, mat); }}

OnRenderImage 函數的 src 參數用於接收遊戲渲染出的原始畫面，dest 參數用於返回特效處理後的結果畫面。

圖像特效分類介紹