Unity Shader——Writing Surface Shaders(0)

　　從今天起，開始翻譯Unity關於shader的官方文檔。翻譯水平比較通常，目的主要是經過翻譯來提高對shader的看法，也讓其餘人更容易的瞭解shader。如下開始正文內容：

 

編寫Surface Shaders

　　和光交互的shader寫起來很複雜，有不一樣的光照類型、陰影選項、渲染路徑（正向渲染和延遲渲染），有時shader須要考慮全部的複雜性。

　　Unity中的Surface Shader是一個代碼生成器，用它來寫光照shader（lit shader）相比於使用低階的頂點/像素shader（vertex/pixel shader）程序，會更加容易。注意Surface Shader中並無固定的語言和奇幻的東西（magic or ninjas involved）。它僅僅是生成本來必須由手工重複編寫的代碼。你也能夠用Cg/HLSL來寫shader代碼。

　　這裏有一些例子： Surface Shader Examples、Surface Shader Custom Lighting Examples。

它如何工做

　　你定義一個「surface 函數」，其輸入是你所須要的任意UVs或數據，輸出是SurfaceOutput數據結構。SurfaceOutput簡單地描述了surface的屬性（properties of the surface），如反射率顏色（albedo color）、法線（normal）、散射（emission）、鏡面反射（specularity ）等。

　　Surface Shader編譯器會肯定須要什麼輸入，有什麼輸出等，也會產生實際的頂點&像素shader（vertex&pixel shaders），以及渲染路徑來處理正向和延遲渲染。

　　surface標準的輸出結構以下：

struct SurfaceOutput
2 { 3 fixed3 Albedo; // 漫反射顏色 4 fixed3 Normal; // 切線空間法線，若是賦值的話 5 fixed3 Emission; 6 half Specular; // 高光強度，範圍是0-1 7 fixed Gloss; // specular intensity 8 fixed Alpha; // 透明度 9 };

　　在Unity 5中，surface shader 也能使用物理光照模型。內建的標準和標準鏡面光照模型（見下文）分別使用如下輸出結構：

struct SurfaceOutputStandard
{
    fixed3 Albedo;      // 基礎 (漫反射或鏡面反射) 顏色
    fixed3 Normal;      // 切線空間法線，若是賦值的話
 half3 Emission; half Metallic; // 0=非金屬, 1=金屬 half Smoothness; // 0=粗糙, 1=光滑 half Occlusion; // 遮擋(默認1) fixed Alpha; // 透明度 }; struct SurfaceOutputStandardSpecular { fixed3 Albedo; // 漫反射顏色 fixed3 Specular; // 鏡面反射顏色 fixed3 Normal; // 切線空間法線，若是賦值的話  half3 Emission; half Smoothness; // 0=粗糙, 1=光滑 half Occlusion; // 遮擋(默認1) fixed Alpha; // 透明度 };

例子

　　參見：Surface Shader Examples, Surface Shader Custom Lighting Examples and Surface Shader Tessellation。

Surface Shader編譯指令

　　Surface shader放在CGPROGRAM..ENDCG塊中，就像其餘任何的shader同樣。不一樣處在於：

• 它必須放在SubShader塊中，而不是Pass中。Surface shader將會自動編譯進多個pass中。
• 它使用#pragma surface ...指令來指示它是Surface shader。

　　#pragma surface指令以下：

#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]

必須參數

• surfaceFunction — 擁有surface shader代碼的Cg函數。此函數應有這樣的格式：void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)，其中Input是你定義好的結構，它應該包含任何紋理座標以及surface函數所需的額外的自動變量。
lightModel — 要使用的光照模型。內建的光照模型是基於物理的標準和標準鏡面光照模型，以及簡單的非物理Lambert（漫反射）和BlinnPhong（鏡面）光照模型。參見

Custom Lighting Models

來學習如何編寫。
• 標準光照模型使用SurfaceOutputStandard輸出結構，並匹配Unity中的標準（金屬工做流）shader。
• 標準鏡面光照模型使用SurfaceOutputStandardSpecular輸出結構，並匹配Unity中的標準（高光設置）shader。
• Lambert和BinnPhong光照模型是不基於物理的（來自Unity 4.x），可是使用它們的shader在低配電腦上可以渲染地更快。

可選參數

　　透明度和alpha測試（Transparency and alpha testing）由alpha和alphatest指令控制。一般透明度有兩種類型：傳統alpha混合（用於對象淡出）或更逼近物理的「混合預乘」（容許半透明的表面保持合適的鏡面反射）。開啓半透明度使得產生的surface shader代碼包含blending指令：基於給定的變量，開啓alpha裁剪將會在生成的像素shader中進行碎片丟棄。

• alpha 或 alpha:auto —  將會選擇fade-transparency (同alpha:fade)做爲簡單的光照函數，選擇premultiplied transparency (同alpha:premul)做爲物理光照函數。
• alpha:fade — 容許傳統的透明度漸隱。
• alpha:premul — 容許預乘alpha透明度。
• alphatest:VariableName — 容許alpha裁剪透明度。截斷值是一個名爲VariableName的float類型變量。你還可使用addshadow指令來生成合適的投影通道。
• keepalpha — 默認alpha通道中的不透明度爲1.0（白色），不管輸出結構中的Alpha是多少或者光照函數的返回值是多少。
• decal:add — 附加的貼花shader（如terrain AddPass）。這對位於其餘表面正上方和使用附加混合的對象來講是有意義的。
• decal:blend — 半透明貼花shader。這對位於其餘表面正上方和使用alpha混合的對象來講是有意義的。

　　定製修改器函數（Custom modifier functions）可以用來改變或者計算輸入的頂點數據，或者改變最終計算出的片斷顏色。

• vertex:VertexFunction — 定製頂點修改器函數. 此函數在生成的頂點shader的開始處被調用，能夠修改或計算預頂點數據，參見 Surface Shader Examples。
• finalcolor:ColorFunction — 定製的最終顏色修改器函數。參見Surface Shader Examples。

　　陰影和鑲嵌（Shadows and Tessellation）— 附加指令，用於控制陰影和鑲嵌的處理。

• addshadow — 生成一個投影通道。通常還要使用定製頂點修改器，這樣投影也能獲取任何程序上的頂點動畫。 當shader經過fallback來使用投影時，一般不須要任何特別的陰影處理。
• fullforwardshadows — 支持 Forward 渲染路徑中全部的光照陰影模型。默認shader只支持正向渲染中來自單方向光產生的陰影。若是你須要用點光源或聚光光源來產生陰影，使用該指令。
• tessellate:TessFunction — 使用DX11 GPU 鑲嵌; 該函數計算鑲嵌因子。詳情參見 Surface Shader Tessellation。

　　代碼生成選項 — 默認生成的surface shader代碼會嘗試去處理全部可能的光照/陰影/光照貼圖場景。儘管如此，在某些狀況下你並不須要其中一些，你能夠調整生成的代碼來跳過它們。這樣就能產生更小、加載速度更快的shader。

• exclude_path:deferred, exclude_path:forward, exclude_path:prepass - 對於給定的渲染路徑(分別是Deferred Shading, Forward 和 Legacy Deferred)，不生成相應的通道。
• noshadow — 在此shader中關閉全部支持陰影功能。
• noambient — 不該用任何環境光或光照探測（light probes）。
• novertexlights — 不在正向渲染中應用任何光照探測或預頂點光照。
• nolightmap — 在此shader中關閉全部支持光照貼圖功能。
• nodynlightmap — 在此shader中關閉支持運行時動態全局光照（runtime dynamic global illumination）功能。
• nodirlightmap - 在此shader中關閉支持方向光照貼圖功能。
• nofog — 關閉內建的支持全部霧效果功能。
• nometa — 不產生「meta」通道（該meta用來由光照貼圖和動態全局光照提取表面信息）。
• noforwardadd — 關閉Forward 渲染附加通道。 這使得shader支持單方向徹底光照，以及全部其餘由每一個頂點/SH計算的光照。同時使得shader更小。

　　混合選項

• softvegetation — 當柔性植被開啓時，surface shader纔會被渲染。
• interpolateview — 在頂點shader中計算視線方向並進行插值，而不是在像素shader中進行計算。這使得像素shader更快，但會多消耗一個紋理插值器。
• halfasview — 將half-direction 向量，而不是視線方向向量，傳遞給光照函數。Half-direction 將被逐頂點計算和單位化。這會更快，但不會徹底正確。
• approxview — 在Unity 5.0中被移除，請用interpolateview 替代。
• dualforward - 在forward渲染路徑中使用dual lightmaps 。

　　要了解使用上述不一樣選項所帶來確切的變化，使用Shader Inspector中的「Show Generated Code」 按鈕將會有所幫助。

Surface Shader 輸入結構

　　輸入結構 Input 一般有shader所需的任意紋理座標。紋理座標必須命名爲「uv」+「紋理名稱」（或者以「uv2」開頭，來使用第二個紋理座標集）。 

輸入結構中還能放入一下額外的變量：

• float3 viewDir — 將會包含視線方向，用來計算視差影響，邊緣光照等。
• float4 with COLOR semantic — 將會包含每一個頂點插值後的顏色。
• float4 screenPos — 將會包含反射或屏幕空間影響下的屏幕空間座標。
• float3 worldPos — 將會包含世界空間座標。
• float3 worldRefl — 若是surface shader沒有賦值o.Normal，將會包含世界反射向量。參見例子：Reflect-Diffuse shader。
• float3 worldNormal — 若是surface shader沒有賦值o.Normal，將會包含世界法向量。
  
• float3 worldRefl; INTERNAL_DATA — 若是surface shader沒有賦值o.Normal，將會包含世界法向量。爲了得到逐像素法線貼圖的反射向量，請使用WorldReflectionVector (IN, o.Normal)。參見例子： Reflect-Bumped shader。
• float3 worldNormal; INTERNAL_DATA — 若是surface shader沒有賦值o.Normal，將會包含世界法向量。爲了得到逐像素法線貼圖的法向量，請使用WorldNormalVector (IN, o.Normal)。

Surface shaders 和 DirectX 11

　　目前，surface shader編譯管道的部份內容並不能理解 DirectX 11-特定的HLSL 語法， 因此若是你在使用HLSL特性，諸如StructuredBuffers, RWTextures 和其餘非DX9 語法，你必須將之包含在只針對DX11的預處理器宏中。詳情參見Platform Specific Differences 。