UnityShader入门精要——第9章

Unity的渲染路径

前向渲染路径、延迟渲染路径、顶点照明渲染路径AlwaysForwardBase  环境光、最重要的平行光、逐顶点/SH光源、lightmapsForwardAdd  额外的逐像素光照，每个pass对应一个光源Deffered    会渲染G缓冲ShadowCaster 把物体的深度信息渲染到阴影映射纹理lightmap或一张深度纹理中prepassBase  用于遗留的延迟渲染，该pass会渲染法线和高光反射的指数部分prepassFinal 用于遗留的延迟渲染，合并纹理、光照和自发光vertex vertexLMRGBM VeretxLM 遗留的顶点光照

1. 前向渲染路径
每进行一次完整的前向渲染，需要渲染该对象对应的渲染图元，并计算两个缓冲区的信息：颜色缓冲区、深度缓冲区。
多个逐像素光源就要渲染多次。
场景中最亮的平行光：总是逐像素
渲染模式为not important的光源：逐顶点或SH
渲染模式为important：逐像素
BasePass：一个逐像素的平行光以及所有逐顶点和SH光源 lightmap、环境光、自发光、阴影
AdditionalPass：其他影响该物体的逐像素光源，每个光源执行一次pass （不支持阴影，但#pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows开启阴影）
一个BasePass仅会执行一次，一个Additional Pass会根据影响该物体的其他逐像素光源数目被多次调用

1. 顶点照明渲染路径
   硬件配置要求少、运算性能最高、效果最差，不支持阴影、法线映射、高精度的高光反射等。其实是前向渲染路径的子集。通常一个pass完成对物体的渲染。
2. 延迟渲染路径
   第一个pass计算哪些片元可见，通过深度缓冲实现，可见的片元，将其信息（diffuse、emission、specular、深度、平滑度、normal、lightmap、反射探针、深度缓冲、模板缓冲等）存储到G缓冲区中，再存储到帧缓存中。第二个pass利用G缓冲区的各个片元信息，进行真正的光照计算。仅仅使用2个pass，与光源数目无关。延迟渲染缺点：不支持真正的抗锯齿；不能处理半透明物体；对显卡有要求，要求显卡必须支持MRT等。

unity的光源类型

点光源、聚光灯、面光源

1. 光源类型有什么影响
位置、颜色、衰减。
平行光：位置固定、衰减固定为1
点光源：有位置、衰减由一个函数定义
聚光灯：位置、范围、衰减

1. 在前向渲染中处理不同的光源类型
   `
   fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
   fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
   #ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT
   fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
   #else
   fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPos.xyz);
   #endif

           fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));        fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);        fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);        fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);        #ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT            fixed atten = 1.0;        #else            #if defined (POINT)                float3 lightCoord = mul(_LightMatrix0, float4(i.worldPos, 1)).xyz;                fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;            #elif defined (SPOT)                float4 lightCoord = mul(_LightMatrix0, float4(i.worldPos, 1));                fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w * tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;            #else                fixed atten = 1.0;            #endif        #endif        return fixed4((diffuse + specular) * atten, 1.0);    }

   `
   如果场景中一个平行光，两个点光源（Render Mode）为Auto，则会有3个渲染事件（平行光一个，两个点光源各自一个）；如果把这两个点光源设为（Not Important），则只有一个渲染事件（两个点光源的显示不出来，只有一个平行光的效果）。
   这是因为，如果逐像素光源数目较多的话，该物体的AdditionalPass会被调用多次，影响性能。
   同时，查看帧调试器可以看到，unity处理这些点光源的顺序是按照他们的重要度排序的（颜色、强度、距离等），最先绘制最重要的光源。

unity的光照衰减

1. 用于光照衰减的纹理
   使用一张纹理作为查找表来在片元着色器中计算逐像素光照的衰减，避免数学公式的复杂性。但也有弊端：
   需要预处理得到采样纹理，而且纹理大小会影响衰减的精度。
   不直观、也不方便，因此一旦把数据存储到查找表，就无法用其他公式计算衰减。
   但提升性能、得到的效果大部分情况下不错。所以，unity默认是用这种方式计算衰减的。

  float3 lightCoord = mul(_LightMatrix0, float4(i.worldPos, 1)).xyz;                        fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;

1. 使用数学公式计算衰减
   float distance = length(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPosition.xyz);
   atten = 1.0/distance; //linear attenuation

#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT                    fixed atten = 1.0;                #else                    #if defined (POINT)                        float3 lightCoord = mul(_LightMatrix0, float4(i.worldPos, 1)).xyz;                        fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;                    #elif defined (SPOT)                        float4 lightCoord = mul(_LightMatrix0, float4(i.worldPos, 1));                        fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w * tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;                    #else                        fixed atten = 1.0;                    #endif                #endif

unity的阴影

1. 阴影是如何实现的
   光线遇到不透明物体，无法再继续照亮其他物体。Shadowmap技术：把摄像机的位置放在与光源重合的位置，那么光源阴影区域就是摄像机照不到的区域。
   在前向渲染路径中，如果场景中最重要的平行光开启了阴影，unity就会为该光源计算它的Shadowmap（阴影映射纹理）。这张Shadowmap本质上也是一张深度图，它记录了从该光源的位置出发、能看到的场景中距离它最近的表面位置（深度信息）。
   那么在计算Shadowmap时，我们如何判定距离它最近的表面位置呢？一种方法是，先把摄像机放置在光源的位置，然后按照正常的渲染流程，即调用BassPass和Additional Pass来更新深度信息，得到Shadowmap。这种方法会对性能造成一定的浪费，因为我们实际上仅仅需要深度信息而已。而basePass和AdditionalPass中往往涉及很多复杂的光照模型计算。所以，unity选择使用一个额外的pass，专门的pass叫ShadowCaster来更新光源的阴影映射纹理。
   传统的Shadowmap，我们会在正常渲染的pass中把顶点位置变换到光源空间下，以得到它在光源空间中的三维位置信息。然后，使用xy分量对Shadowmap进行采样，得到Shadowmap中该位置的深度信息。如果该深度值小于该点的深度值（通常由z分量得到），那么说明该点位于引用中。
   unity5中使用屏幕空间的阴影映射纹理：unity通过调用LightMode为ShadowCaster的pass来得到可投射阴影的光源的阴影映射纹理以及摄像机的深度纹理。然后根据光源的Shadowmap和摄像机的深度纹理来得到屏幕空间的阴影图。如果摄像机的深度图中记录的表面深度大于转换到Shadowmap中的深度值，就说明该表面虽然是可见的，但却在光源的阴影中。这样，阴影图就包含了屏幕空间中所有有阴影的区域。如果我们想要一个物体接收来自其他物体的阴影，只需要在shader中对阴影图进行采样。由于阴影图是屏幕空间下的，所以，我们首先要把表面坐标从模型空间转换到屏幕空间，然后用这个坐标对阴影图进行采样即可。
   总结下，（1）一个物体接收其他物体的阴影：在shader对阴影映射纹理（Shadowmap，包括屏幕空间的阴影图）进行采样，把采样结果和最后的光照结果相乘来产生阴影效果。
   （2）如果我们想要一个物体向其他物体投射阴影，必须把该物体加入到光源的Shadowmap（阴影映射纹理）的计算中，从而让其他物体在对阴影映射纹理采样时，可以得到该物体的相关信息。在unity中，这个过程是通过为该物体执行LightMode为ShadowCaster的Pass来实现的。如果使用了屏幕空间的投影映射技术，unity还会使用这个pass产生一张摄像机的深度纹理。
2. 不透明物体的阴影
   （1）让物体投射阴影：在unity中，我们会选择是否让一个物体投射或接收阴影。这是通过设置mesh renderer组件中的cast shadows和receive shadows属性实现的。开启了cast shadows，unity就会把该物体加入到光源的Shadowmap计算中，正如前面所说，这个过程是通过为该物体执行LightMode为ShadowCaster的pass来实现的。如果不开启receive shadow，那么当我们调用unity的内置宏和变量计算阴影时，这些宏通过判断该物体没有开启接收阴影，内部就不会为我们计算阴影。
   我们把立方体的这两个选项开启，就会投射阴影。但是现在大家会有疑问：之前不是说unity要执行LightMode为ShadowCaster的pass来渲染Shadowmap和深度图吗，但立方体的shader中并没有这个pass，其实，秘密在于fallback的语义：Fallback “Specular”，即内置的specular，而specular本身也没有这个pass，但由于它的fallback调用了Vertexlit，他会继续毁掉，并最终调用到内置的vertexLit。打开内置的NormalVertexLit.shader，就可以看到里面有LightMode为ShadowCaster的pass了。

    // Pass to render object as a shadow caster    Pass {        Name "ShadowCaster"        Tags { "LightMode" = "ShadowCaster" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma target 2.0#pragma multi_compile_shadowcaster#pragma multi_compile_instancing // allow instanced shadow pass for most of the shaders#include "UnityCG.cginc"struct v2f {     V2F_SHADOW_CASTER;    //UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO};v2f vert( appdata_base v ){    v2f o;    //UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);    //UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o);    TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o)    return o;}float4 frag( v2f i ) : SV_Target{    SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i)}ENDCG    }

它们的用处就是把深度信息写入到渲染目标中。这个pass的渲染目标可以是光源的阴影映射纹理或是摄像机的深度纹理。如果我们把shader中的fallback去掉，立方体就不能投射阴影了。当然，我们也可以不依赖fallback，自行在subshader中定义自己的这个pass。这种自定义的pass可以让我们更灵活控制阴影的产生。
另外，默认情况下，光源的Shadowmap会剔除掉 物体的背面，所以立方体，右侧的平面在光源空间下没有任何正面，因此就不会添加到Shadowmap中，我们可以将cast shadow设为Two Sided来允许对物体的所有面都计算阴影信息。
（2）让物体接收阴影

#include "Lighting.cginc"#include "AutoLight.cginc"

struct v2f {                float4 pos : SV_POSITION;                float3 worldNormal : TEXCOORD0;                float3 worldPos : TEXCOORD1;                SHADOW_COORDS(2)            };

v2f vert(a2v v) {    TRANSFER_SHADOW(o);}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {    fixed shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);    return fixed4(ambient + (diffuse + specular) * atten * shadow, 1.0);}

SHADOW_COORDS（声明阴影纹理坐标变量_ShadowCoord）、TRANSFER_SHADOW（会调用内置的ComputeScreenPos来计算_ShadowCoord，如果该平台不支持屏幕空间的阴影映射技术，就会使用传统的阴影映射技术。TRANSFER_sHADOW会把顶点坐标从模型空间变换到光源空间后存储到_ShadowCoord中）、SHADOW_ATTENUATION（负责使用_ShadowCoord对相关的纹理进行采样，得到阴影信息）是计算阴影时的“三剑客”。
注意，这些宏需要用到上下文变量来进行计算，例如TRANSFER_SHADOW会使用v.vertex或a.pos来计算坐标，因此为了能够让这些宏正确工作，我们需要保证自定义的变量名和这些宏中使用的变量名相匹配。a2v结构体的顶点坐标变量名必须是vertex，顶点着色器的输出结构体v2f必须命名为vertex，且v2f中的顶点位置变量名为pos。
3. 使用帧调试器查看阴影绘制过程
这些渲染事件可以分为4个部分：Camera.Render下UpdateDepthTexture(DepthPass.Job)，即更新摄像机的深度纹理；Drawing下，Render.OpaqueGeometry下的Shadows.RenderJob，shadows.RenderShadowmap渲染得到平行光的阴影映射纹理。然后，RenderForwardOpaque.CollectShadows即根据深度纹理和阴影映射纹理得到屏幕空间的阴影图，最后绘制渲染结果。
也就是，一：更新深度纹理；二：平行光 的阴影映射纹理；三：根据深度纹理和阴影映射纹理计算屏幕空间的阴影图；最后绘制渲染结果。
4. 统一管理光照衰减和阴影
之前讲过，在前向渲染路径的BassPass中，平行光的衰减因子总是等于1，而在AdditionalPass中，我们需要判断该pass处理的光源类型，再使用内置变量和宏计算衰减因子。实际上，光照衰减和阴影对物体最终的渲染结果的影响本质上是相同的，都是把光照衰减因子和阴影值及光照结果相乘得到最终的渲染结果。那么是否有什么办法同时计算两个信息呢？unity在shader里提供了这样的功能，主要是通过内置的UNITY_light_aTTENUATION宏来实现的。

#include "Lighting.cginc"#include "AutoLight.cginc"struct a2v {                float4 vertex : POSITION;                float3 normal : NORMAL;            };            struct v2f {                float4 pos : SV_POSITION;                float3 worldNormal : TEXCOORD0;                float3 worldPos : TEXCOORD1;                SHADOW_COORDS(2)            };            v2f vert(a2v v) {                v2f o;                o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);                o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;                // Pass shadow coordinates to pixel shader                TRANSFER_SHADOW(o);                return o;            }            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);                fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));                fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));                fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);                // UNITY_LIGHT_ATTENUATION not only compute attenuation, but also shadow infos                UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);                return fixed4((diffuse + specular) * atten, 1.0);            }

由于使用了UNITY_LIGHT_ATTENUATION，我们的basePass和AdditionalPass的代码得以统一，不需要在BasePass中单独处理阴影，也不需要在AdditionalPass中判断光源类型来处理光照衰减。如果我们想要在AdditionalPass中添加阴影效果，就需要使用#pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows编译指令来代替AdditionalPass中的#pragma multi_compile_fwdadd指令。这样一来，unity就会为额外的逐像素光源计算阴影，并传递给shader。

5. 透明度物体的阴影

- 透明物体的实现通常会使用AlphaTest或Blend，我们需要小心设置这些物体的fallback。透明度测试的处理比较简单，但如果我们直接用VertexLit、Diffuse、Specular等作为回调，往往无法得到正确的阴影。这是因为透明度测试需要在片元着色器中舍弃某些片元。我们如果像第4节一样，在AlphaTest里面加上阴影的，镂空区域阴影会不正常。这是因为，我们使用的是内置的vertexlit中提供的ShadowCaster来投射阴影，而这个pass中并没有进行任何透明度测试的计算。因此，它会把整个物体的深度信息渲染到深度图和阴影映射纹理中。因此，如果我们想要得到经过透明度测试后的阴影效果，就需要提供一个有透明度测试功能的ShadowCaster Pass。为了既达到效果写的代码又少，将Fallback设置为Transparent/Cutout/VertexLit,在这个内置文件中，它的ShadowCaster pass也计算了透明度测试，因此，会把裁剪后的物体深度信息写入到深度图和Shadowmap中，但要注意，这个Shader中计算透明度测试时，使用了名为_Cutoff的属性来进行透明度测试，因此，这就要求我们的shader中必须提供名为_cutoff的属性。这样的话，有个问题，出现了一些不应该透过光的部分，这是因为只考虑了正面，没有考虑背面。让正方体的mesh Renderer组件的castShadows属性设置为Two Sides，强制unity在计算Shadowmap时，计算所有面的深度信息。

FallBack "Transparent/Cutout/VertexLit"

为使用透明度混合的物体添加阴影是一件比较复杂的事情。由于blend需要关闭深度写入，由此带来的问题也影响了阴影的生成。总体来说，要想为这些半透明物体产生正确的阴影，需要在每个光源空间下仍然严格按照从后往前的顺序进行渲染，这样，阴影处理会变得很复杂，而且也会影响性能。所以，在unity中，所有blend shader都是不会产生任何阴影的。当然我们可以强制为半透明物体生成阴影，通过

FallBack "Transparent/VertexLit"

实现。效果不一定正确。