UnityShader精要笔记二十 Unity的表面着色器
本文继续对《UnityShader入门精要》——冯乐乐 第十七章 Unity的表面着色器 进行学习在2009年的时候(当时Unity的版本是2.x)，Unity的渲染工程师Aras(就是经常活跃在论坛和各种会议上的，大名鼎鼎的Aras Pranckevicius)连续发表了3篇名为<Shaders must die>的博客。在这些博客里，Aras认为，把渲染流程分为顶点和像素的抽象层面是错误的，是一种不易理解的抽象。目前，这种在顶点/几何/片元着色器上的操作是对硬件友好的一种方式，但不符合我们人类的思考方式。相反，他认为，应该划分为表面着色器、光照模型和光照着色器这样的层面。
其中，表面着色器定义了模型表面的反射率、法线和高光等，光照模型则选择是使用兰伯特还是Blinn-Phong模型。而光照着色器负责计算光照衰减、阴影等。这样，绝大部分时间我们只需要和表面着色器打交道，例如，混合纹理和颜色等。光照模型可以是提前定义好的，我们只需要选择哪种预定义的光照模型即可。而光照着色器一旦由系统实现后，更不会被轻易改动，从而大大减轻了Shader编写者的工作量。有了这样的想法后，Aras在随后的文章中开始尝试把表面着色器整合到Unity中。最终，在2010年的Unity3中，Surface Shader被加入到Unity的大家族中了。
虽然Unity换了一个新的“马甲”，但表面着色器实际上就是在顶点/片元着色器之上又添加了一层抽象。按Aras的话来解释就是，顶点/几何/片元着色器是硬件能理解的渲染方式，而开发者应该使用一种更容易理解的方式。很多时候使用表面着色器，我们只需要告诉Shader：“嘿，使用这些纹理去填充颜色，使用这个法线纹理去填充表面法线，使用兰伯特光照模型，其它的就不要来烦我了”。我们不需要考虑是使用前向渲染路径还是延迟渲染路径，场景中有多少光源，它们的类型是什么，怎样处理这些光源，每个Pass需要处理多少个光源等问题。（正是因为有这些事情，人们总会抱怨写一个Shader是多么麻烦…）这时。Unity会说：“不要着急，我来干！”
一、表面着色器的一个例子
在学习原理之前，我们首先来看一下一个表面着色器长什么样子。
我们将使用表面着色器来实现一个使用了法线纹理的漫反射效果。这可以参考Unity内置的“Legacy Shaders/Bumped Diffuse”的代码实现（可以在官方网站的内置Shader包中找到）。
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 17/Bumped Diffuse" { Properties { _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} _BumpMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {} } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 300 CGPROGRAM #pragma surface surf Lambert #pragma target 3.0 sampler2D _MainTex; sampler2D _BumpMap; fixed4 _Color; struct Input { float2 uv_MainTex; float2 uv_BumpMap; }; void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { fixed4 tex = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex); o.Albedo = tex.rgb * _Color.rgb; o.Alpha = tex.a * _Color.a; o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap)); } ENDCG } FallBack "Legacy Shaders/Diffuse" }
保存程序后，返回Unity中查看。在BumpedDiffuseMat的面板上。我们将两张.tif文件分别拖拽到_MainTex和_BumpMap属性上，就可以得到类似下图左图的结果。
图17.1 表面着色器的例子。左图：在一个平行光下的效果。右图：添加了一个点光源（蓝色）和一个聚光灯（紫色）后的效果
我们还可以向场景中添加一些点光源和聚光灯，并改变它们的颜色，就得到类似上图中右图的结果。注意，在这个过程中，我们不需要对代码进行任何改动。
从上面的例子可以看出，相比之前所学的顶点/片元着色器技术，表面着色器的代码量很少（只需要三十多行），如果我们使用顶点/片元着色器，大概需要150多行代码。而且我们可以轻松的实现常见的光照模型，甚至不要可以和任何光照变量打交道，Unity就帮我们处理好了每个光源的光照结果。读者可以在Unity官方手册的表面着色器的例子一文（http://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaderExamples.html）
中找到更多的示例程序。下面我们具体来学习表面着色器的特点和工作原理。
和顶点/片元着色器需要包含到一个特定的Pass中不同，表面着色器的CG代码是直接而且也必须写在SubShader块中，Unity会在背后为我们生成多个Pass。当然可以在SubShader一开始处使用Tags来设置该表面着色器使用的标签。然后我们使用CGPROGRAM和ENDCG定义了表面着色器的具体代码。
一个表面着色器中最重要的部分是两个结构体以及它们的编译指令。其中两个结构体是表面着色器中不同函数之间信息传递的桥梁，而编译指令是我们个Unity沟通的重要手段。
二、编译指令
我们首先来看一下表面着色器的编译指令。编译指令是我们和Unity沟通的重要方式，通过它可以告诉Unity：“嘿，用这个表面函数设置表面属性，用这个光照模型模拟光照，我不需要阴影和环境光，不需要雾效”，只需要一句代码，我们就可以完成这么多事情！
编译指令最重要的作用是指明该表面着色器使用的表面函数和光照函数，并设置一些可选参数。表面着色器的CG块中的第一句代码往往就是它的编译指令。编译指令的一般格式如下:
#pragma surface surfaceFunction lightModel
其中pragma surface用于指明该编译指令是用于定义表面着色器的，在它的后面需要指明使用的表面函数（surfaceFunction）和光照模型（LightModel），同时，还可以使用一些可选参数来控制表面着色器的一些行为。
1.表面函数
我们之前说过，表面着色器的优点在于抽象出了“表面”这一概念。与之前遇到的顶点/片元着抽象层不同，一个对象的表面属性定义了它的反射率、光滑度、透明度等值。而编译指令中的surfaceFunction就用于定义这些表面属性。surfaceFunction通常就是名为surf的函数（函数名可以是任意的），它的函数格式是固定的：
void surf（Input IN，inout SurfaceOutput o） void surf（Input IN，inout SurfaceOutputStandard o） void surf（Input IN，inout SurfaceOutputStandardSpecular o）
其中，后两个是Unity 5中由于引入了基于物理的渲染而新添加的两种结构体。SurfaceOutput、SurfaceOutputStandard和SurfaceOutputStandardSpecular都是Unity内置的结构体，它们需要配合不同的光照模型使用，我们会在下一节进行更详细的的解释。
在表面函数中，会使用输入结构体Input In来设置各种表面属性，并把这些属性存储在输出结构体SurfaceOutput、SurfaceOutputStandard或SurfaceOutputStandardSpecular中，再传递给光照函数计算光照结果。读者可以在Unity手册中的表面着色器的例子一文（http://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaderExamples.html）中找到更多的示例表面函数。
2.光照函数
除了表面函数，我们还需要指定另一个非常重要的函数——光照函数。光照函数会使用表面函数中设置的各种表面属性，来应用某些光照模型，进而模拟物体表面的光照效果。Unity内置的基于物理的光照模型函数Standard和StandardSpecular（在UnityPBSLLighting.cginc文件中被定义），以及简单的非基于物理的光照模型函数Lambert和BlinnPhong（在Lighting.cginc文件中被定义）。
当然，我们也可以定义自己的光照函数。例如，可以使用下面的函数来定义用于前向渲染中的光照函数：
//half4 Lighting<Name> （SurfaceOutput s，half3 lightDir，half atten）； //用于依赖视角的光照模型，例如高光反射 half Lighting<Name> （SurfaceOutput s，half3 lightDir，half3 viewDir，half atten）；
读者可以在Unity手册的表面着色器中的自定义光照模型一文（http://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaderLighting.html）中找到更全面的自定义光照模型的介绍。而一些例子可以参照手册中的表面着色器的光照例子一文（http://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaderLightingExamples.html），这篇文档展示了如何使用表面着色器来自定义常见的漫反射、高光反射、基于光照纹理等常用的光照模型。
3.其它可选参数
在编译指令的最后，我们还设置了一些可选参数（optionalparams），这些可选参数包含了很多非常有用的指令类型，例如开启/设置透明度混合/透明度测试，指明自定义的顶点和颜色修改函数，控制生成的代码等。下面我们选取了一些比较重要和常用的参数进行更深入的说明。读者可以在Unity官方手册的编写表面着色器一文（http://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaders.html）中找到更加详细的参数和设置说明。
自定义修改的函数。除了表面函数和光照模型外，表面着色器还可以支持其它两种自定义的函数：顶点修改函数（vertex：VertexFunction）和最后的颜色修改函数（finalcolor：ColorFunction）。顶点修改函数允许我们自定义一些顶点属性。例如把顶点颜色传递给表面函数，或是修改顶点位置，实现顶点动画等。最后的颜色修改函数则可以在颜色绘制到屏幕前，最后一次修改颜色值，例如实现自定义的雾效等。 阴影。我们可以通过一些指令来控制和阴影相关的代码。例如addshadow参数会为表面着色器生成一个阴影投射的Pass。通常情况下，Unity可以直接在FallBack中找到通用的光照模式为ShadowCaster的Pass，从而将物体正确的渲染到深度和阴影纹理中。但对于一些进行了顶点动画。透明度测试的物体，我们就需要对阴影的投射进行特殊处理，来为它们产生正确的阴影，正如我们在前面看到的一样。fullforwardshadows参数则可以在前向渲染路径中支持所有光源类型的阴影。默认情况下，Unity只支持最重要的平行光的阴影效果。如果我们需要让点光源或聚光灯在前向渲染中也可以有阴影，就可以添加这个参数。相反的，如果我们不想对使用了这个Shader的物体进行任何阴影计算，就可以使用noshadow参数来禁用阴影。 透明度混合和透明度测试。我们可以通过alpha和alphatest指令来控制透明度混合和透明度测试。例如：alphatest;VariableName指令会使用名为VariableName的变量来剔除不满足条件的片元。此时，我们可能还需要使用上面提到的addshadow参数来生成正确的阴影投射的Pass 光照。一些指令可以控制光照对物体的影响，例如，noambient参数会告诉Unity不要应用任何环境光照或光照探针（light probe）。novertexlights参数告诉Unity不要应用任何逐顶点光照。noforwardadd会去掉所有前向渲染中的额外的Pass。也就是说，这个Shader只会支持一个逐像素的平行光，而其他光源会按照逐顶点或SH的方法来计算光照影响。这个参数通常会用于移动平台版本的表面着色器中。还有一些用于控制光照烘焙、雾效模拟的参数，如nolightmap、nofog等。 控制代码的生成。一些指令还可以控制由表面着色器自动生成的代码，默认情况下，Unity会为一个表面着色器生成相应的前向渲染路径、延迟渲染路径使用的Pass，这会导致生成的Shader文件比较大。如果我们确定该表面着色器只会在某些渲染路径中使用，就可以exclude_path：deferred、exclude_path：forward和exclude_path：prepass来告诉Unity不需要为某些渲染路径生成代码。
从上述可以看出，表面着色器支持的编译指令参数很多，为我们编写表面着色器提供了很大的方便。之前在顶点/片元着色器中需要消耗大量代码来完成的工作，在表面着色器中可能只需要一个参数就可以了。当然，相比顶点/片元着色器，表面着色器也有他自身的限制，我们会在后面对比他们的优缺点。
三、两个结构体
上一节我们已经讲过，表面着色器支持最多自定义4种关键函数：表面函数（用于设置各种表面性质，如反射率、法线等），光照函数（定义表面使用的光照模型），顶点修改函数（修改或传递顶点属性），最后的颜色修改函数（对最后的颜色进行修改）。那么这些函数之间的信息传递是怎么实现的呢？例如，我们想把顶点颜色传递给表面函数，添加到顶点反射率的计算中，要怎么做呢？这就是两个结构体的工作。
一个表面着色器需要使用两个结构体：表面函数的输入结构体Input，以及存储了表面属性的结构体SurfaceOutput（Unity5引入了另外两个相同的结构体SurfaceOutputStandard和SurfaceOutputStandardSpecular）
1.数据来源：Input结构体
Input结构体包含了许多表面属性的数据来源，因此，它会作为表面函数的输入结构体（如果自定义了顶点修改函数，它还会是顶点修改函数的输出结构体）。Input支持很多内置的变量名，通过这些变量名，我们告诉Unity需要使用的数据信息。例如，Input结构体中包含了主纹理和法线纹理的采样坐标uv_MainTex和uv_BumpMap。这些采样坐标必须以“uv”为前缀（实际上也可以以“uv2”为前缀，表明使用次纹理坐标集合），后面紧跟纹理名称。以主纹理_MainTex为例，如果需要使用它的采样坐标，就需要在Input结构体中声明float2 uv_MainTex来对应它的采样坐标。下表列出了Input结构体中内置的其他变量：
变量描述float3 viewDir包含了视角方向，可用于计算边缘光照等使用COLOR语义定义的float4变量包含了插值后的逐顶点颜色float4 screenPos包含了屏幕空间的坐标，可以用于反射或屏幕特效float3 worldRefl包含了世界空间下的反射方向。前提是没有修改表面法线o.Normalfloat3 worldRefl；INTERNAL_DATA如果修改了表面法线o.Normal，需要使用该变量告诉Unity要基于修改后的法线计算世界空间下的反射方向。在表面函数中，我们需要使用WorldReflectionVector（IN，o.Normal）来得到世界空间下的反射方向float3 worldNormal包含了世界空间的法线方向。前提是没有修改表面法线o.Normalfloat3 worldPos包含了世界空间下的位置float3 worldNormal；INTERNAL_DATA如果修改了表面发现o.Normal，需要使用该变量告诉Unity要基于修改后的法线计算世界空间下的法线方向。在表面函数中，我们需要使用WorldNormalVector（IN，o.Normal）来得到世界空间下的法线方向
需要注意的是，我们并不需要自己计算上述的各个变量，而只需要在Input结构体中按上述名称严格声明这些变量即可，Unity会在背后为我们准备好这些数据，而我们只需要在表面函数中直接使用它们即可。
一个例外情况是，我们自定义了顶点修改函数，并需要向表面函数中传递一些自定义的数据。例如，为了自定义雾效，我们可能需要在顶点修改函数中根据顶点在视角空间下的位置信息计算雾效混合系数，这样我们就可以在Input结构体中定义一个名为half fog的变量，把计算结果存储在该变量后进行输出。
2.表面属性 SurfaceOutput结构体
有了Input结构体提供所需要的数据后，我们可以据此计算各种表面属性。因此，另一个结构体就是用于存储这些表面属性的结构体，即SurfaceOutput、SurfaceOutputStandard和SurfaceOutputStandardSpecular，它会作为表面函数的输出，随后会作为光照函数的输入来进行各种光照计算。相比于Input结构体的自由性，这个结构体里面的变量是提前就声明好的，不可以增加也不会减少（如果没有对某些变量赋值，就会使用默认值）。SurfaceOutput的声明可以在Lighting.cginc文件中找到。
struct SurfaceOutput { fixed3 Albedo; fixed3 Normal; fixed3 Emission; half Specular; fixed Gloss; fixed Alpha; };
而SurfaceOutputStandard和SurfaceOutputStandardSpecular的声明可以在UnityPBSLLighting.cginc中找到：
struct SurfaceOutputStandard { fixed3 Albedo; // base (diffuse or specular) color float3 Normal; // tangent space normal, if written half3 Emission; half Metallic; // 0=non-metal, 1=metal // Smoothness is the user facing name, it should be perceptual smoothness but user should not have to deal with it. // Everywhere in the code you meet smoothness it is perceptual smoothness half Smoothness; // 0=rough, 1=smooth half Occlusion; // occlusion (default 1) fixed Alpha; // alpha for transparencies }; struct SurfaceOutputStandardSpecular { fixed3 Albedo; // diffuse color fixed3 Specular; // specular color float3 Normal; // tangent space normal, if written half3 Emission; half Smoothness; // 0=rough, 1=smooth half Occlusion; // occlusion (default 1) fixed Alpha; // alpha for transparencies };
在一个表面着色器中，只需要选择上述三者中的其一即可，这取决于我们选择使用的光照模型。Unity内置的光照模型有两种，一种是Unity 5之前的、简单的、非基于物理的光照模型，包括了Lambert和BlinnPhong；另一种是Unity 5添加的、基于物理的光照模型包括Standard或StandardSpecular，我们会分别使用SurfaceOutputStandard或SurfaceOutputStandardSpecular结构体。其中，SurfaceOutputStandard结构体用于默认的金属工作流程（Metallic Workflow），对应了Standard的光照函数；而SurfaceOutputStandardSpecular结构体用于高光工作流程（Specular Workflow），对应了StandardSpecular光照函数。更多基于物理的渲染内容，我们会在后面讲到。
在本节，我们着重介绍一下SurfaceOutput结构体中的变量和含义。在表面函数中，我们需要根据Input结构体传递的各个变量计算表面属性。在SurfaceOutput结构体，这些表面属性包括了：
fixed3 Albedo：对光源的反射率。通常由纹理采样和颜色属性的乘积计算而得。 fixed3 Normal：表面法线方向。 fixed3 Emission：自发光。Unity通常会在片元着色器最后输出前（并在最后的顶点函数被调用前，如果被定义的话），使用类似下面的语句进行简单的颜色叠加：
c.rgb+=o.Emission；
half Specular：高光反射中的指数部分的系数，影响高光发射的计算。例如，如果使用了内置了BlinnPhong光照函数，它会使用如下语句计算高光反射的强度：
float spec=pow（nh，s.Specular*128.0）*s.Gloss；
fixed Gloss：高光反射中的强度系数。和上面的Specular类似，计算公式见上面的代码。一般在包含了高光反射的光照模型里使用。 fixed Alpha：透明通道。如果开启了透明度的话，会使用该值进行颜色混合。
四、Unity背后使用了什么
在前面的内容中，我们已经了解到如何利用编译指令、自定义函数（表面函数、光照函数，以及可选的顶点修改函数和最后的颜色修改函数）和两个结构体来实现一个表面着色器。我们一直强调，Unity实际会在背后为表面着色器生成真正的顶点/片元着色器。那么，表面着色器中的各个函数、编译指令和结构体与顶点/片元着色器之间有什么关系呢？这正是本节要学习的内容。
我们之前说过，Unity在背后会根据表面着色器生成一个包含了很多Pass的顶点/片元着色器。这些Pass有些是为了针对不同的渲染路径，例如，默认情况下Unity会为前向渲染路径生成LightMode为ForwardBase和ForwardAdd的Pass，为Unity 5之前的延迟渲染路径生成LightMode为PrePassBase和PrePassFinal的Pass，为Unity 5之后的渲染路径生成LightMode为Deferred的Pass。还有一些Pass是用于产生额外的信息，例如，为了给光照映射和动态全局光照提取表面信息，Unity会生成一个LightMode为Meta的Pass。有些表面着色器由于修改了顶点的位置，因此我们可以利用addshadow编译指令为它生成相应的LightMode为ShadowCaster的阴影投射Pass。这些Pass的生成都是基于我们在表面着色器中的编译指令和自定义的函数，这是有规律可循的。Unity提供了一个功能，让那些“好奇宝宝”可以对表面着色器自动生成的代码一探究竟：在每个编译完成的表面着色器面板上，都有一个“Show generated code”的按钮，如下图所示，我们只需要单击一下它就可以看到Unity为这个表面着色器生成的所有顶点/片元着色器。
图17.2 查看表面着色器生成的代码
通过查看这些代码，我们就可以了解到Unity到底是如何根据表面着色器生成各个Pass的。以Unity生成的LightMode为ForwardBase的Pass（用于前向渲染）为例，它的渲染计算流水线如下所示：
图17.3 表面着色器的渲染计算流水线。黄色：可以自定义的函数。灰色：Unity自动生成的计算步骤
从上图我们可以看出，4个允许自定义的函数在流水线中的位置。Unity对该Pass的自动生成过程大致如下。
（1）直接将表面着色器中CGPROGRAM和ENDCG之间的代码复制过来，这些代码包括了我们对Input结构体、表面函数、光照函数（如果自定了的话）等变量和函数的定义。这些函数和变量会在之后的处理过程中被当成正常的结构体和函数进行调用。
（2）Unity会分析上述代码，并据此生成顶点着色器的输出——v2f_surf结构体，用于在顶点着色器和片元着色器之间进行数据传递。Unity会分析我们在自定义函数中所使用的变量。而且，即便有时我们在Input中定义了某些变量（如某些纹理坐标），但Unity在分析后续代码时发现我们并没有使用这些变量，那么这些变量实际上是不会在v2f_surf中生成的。这也就是说，Unity做了一些优化。v2f_surf中还包含了一些其他需要的变量，例如阴影纹理坐标、光照纹理坐标、逐顶点光照等。
（3）接着，生成顶点着色器。
①如果我们自定义了顶点修改函数，Unity会首先调用顶点修改函数来修改顶点数据，或填充自定义的Input结构体中的变量。然后，Unity会分析顶点修改函数中修改的数据，在需要时通过Input结构体将修改结果存储到v2f_surf相应的变量中。
②计算v2f_surf中其它生成变量的值。这主要包括了顶点位置、纹理坐标、法线方向、逐顶点光照、光照纹理的采样坐标等。当然，我们可以通过编译指令来控制某些变量是否需要计算。
③最后，将v2f_surf传递给接下来的片元着色器
（4）生成片元着色器。
①使用v2f_surf的对应变量填充Input结构体，例如纹理坐标、视角方向等。
②调用我们自定义的表面函数填充SurfaceOutput结构体
③调用光照函数得到初始的颜色值。如果使用的是内置的lambert或BlinnPhong光照函数，Unity还会计算动态全局光照，并添加到光照模型的计算中。
④进行其它的颜色叠加。例如，如果没有使用光照烘焙，还会添加逐顶点光照的影响。
⑤最后，如果自定义了最后的颜色修改函数，Unity就会调用它进行最后的颜色修改。
其它Pass的生成过程和上面类似，这里不再赘述。
五、表面着色器实例分析
为了帮助读者更加深入的理解表面着色器背后的原理，我们在本节以一个表面着色器为例，分析Unity为它生成的代码。测试场景如下图所示，它的实现效果是对模型进行膨胀。
图17.4 沿顶点法线对模型进行膨胀。左图：膨胀前。右图：膨胀后
这种效果的实现非常简单，就是在顶点修改函数中沿着顶点法线方向扩张顶点的位置。为了分析表面着色器中4个可自定义的函数（顶点修改函数、表面函数。光照函数和最后的颜色修改函数）的原理，在本例中我们对这4个函数全部采用了自定义的实现。代码如下：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 17/Normal Extrusion" { Properties { _ColorTint ("Color Tint", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} _BumpMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {} _Amount ("Extrusion Amount", Range(-0.5, 0.5)) = 0.1 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 300 CGPROGRAM // surf - which surface function. // CustomLambert - which lighting model to use. // vertex:myvert - use custom vertex modification function. // finalcolor:mycolor - use custom final color modification function. // addshadow - generate a shadow caster pass. Because we modify the vertex position, the shder needs special shadows handling. // exclude_path:deferred/exclude_path:prepas - do not generate passes for deferred/legacy deferred rendering path. // nometa - do not generate a “meta” pass (that’s used by lightmapping & dynamic global illumination to extract surface information). #pragma surface surf CustomLambert vertex:myvert finalcolor:mycolor addshadow exclude_path:deferred exclude_path:prepass nometa #pragma target 3.0 fixed4 _ColorTint; sampler2D _MainTex; sampler2D _BumpMap; half _Amount; struct Input { float2 uv_MainTex; float2 uv_BumpMap; }; void myvert (inout appdata_full v) { v.vertex.xyz += v.normal * _Amount; } void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { fixed4 tex = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex); o.Albedo = tex.rgb; o.Alpha = tex.a; o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap)); } half4 LightingCustomLambert (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten) { half NdotL = dot(s.Normal, lightDir); half4 c; c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (NdotL * atten); c.a = s.Alpha; return c; } void mycolor (Input IN, SurfaceOutput o, inout fixed4 color) { color *= _ColorTint; } ENDCG } FallBack "Legacy Shaders/Diffuse" }
在顶点的修改函数中，我们使用顶点法线对顶点位置进行膨胀；表面函数使用主纹理设置了表面属性中的反射率，并使用法线纹理设置了表面法线方向；光照函数实现了简单的兰伯特漫反射光照模型；在最后的颜色修改函数中，我们简单的使用了颜色参数对输出颜色进行调整。
注意，除了4个函数外，我们在#pragma surface的编译指令一行中还指定了一些额外的参数。由于我们修改了顶点位置，因此，要对其它物体产生正确的阴影效果并不能直接依赖Fallback中找到的阴影投射Pass，addshadow参数可以告诉Unity要生成一个该表面着色器对应的阴影投射Pass。默认情况下，Unity会为所有支持的渲染路径生成相应的Pass，为了缩小自动生成的代码量，我们使用exclude_path：deffered和exclude_path：prepass来告诉Unity不要为延迟渲染路径生成相应的Pass。最后，我们使用nometa参数取消对提取元数据的Pass的生成。
当在该表面着色器的导入面板中单击“Show generated code”按钮后，我们就可以看到Unity生成的顶点/片元着色器了。由于代码比较多，为了节省篇幅我们不再把全部代码粘贴到这里。
在这个近600行的代码文件中，Unity一共为该表面着色器生成了3个Pass，它们的LightMode分别是ForwardBase、ForwardAdd和ShadowCaster，分别对应了前向渲染路径中的处理逐像素平行光的Pass、处理其他逐像素光的Pass、处理阴影投射的Pass。读者可以在这些代码中看到大量的#ifdef和#if语句，这些语句可以判断一些渲染条件，例如是否使用了动态光照纹理、是否使用了逐顶点光照、是否使用了屏幕空间的阴影等，Unity会根据这些条件来进行不同的光照计算，这正是表面着色器的魅力之一——这些烦人的光照计算交给Unity来做。需要注意的是，不同的Unity版本可能生成的代码有少许不同。下面我们来分析Unity生成的ForwardBase Pass。
1.Unity首先指明了一些编译指令
// ---- forward rendering base pass: Pass { Name "FORWARD" Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }CGPROGRAM // compile directives #pragma vertex vert_surf #pragma fragment frag_surf #pragma target 3.0 #pragma multi_compile_instancing #pragma multi_compile_fwdbase #include "HLSLSupport.cginc" #define UNITY_INSTANCED_LOD_FADE #define UNITY_INSTANCED_SH #define UNITY_INSTANCED_LIGHTMAPSTS #include "UnityShaderVariables.cginc" #include "UnityShaderUtilities.cginc"
顶点着色器vert_surf和片元着色器frag_surf都是自动生成的。
2.之后出现的是一些自动生成的注释：
// Surface shader code generated based on: // vertex modifier: 'myvert' // writes to per-pixel normal: YES // writes to emission: no // writes to occlusion: no // needs world space reflection vector: no // needs world space normal vector: no // needs screen space position: no // needs world space position: no // needs view direction: no // needs world space view direction: no // needs world space position for lighting: no // needs world space view direction for lighting: no // needs world space view direction for lightmaps: no // needs vertex color: no // needs VFACE: no // passes tangent-to-world matrix to pixel shader: YES // reads from normal: no // 2 texcoords actually used // float2 _MainTex // float2 _BumpMap
尽管这些对渲染结果没有影响，但我们可以从这些注释中理解到Unity的分析过程和它的分析结果
3.随后，Unity定义了一些宏来辅助计算
#define INTERNAL_DATA half3 internalSurfaceTtoW0;half3 internalSurfaceTtoW1; half3 internalSurfaceTtoW2;#define WorldReflectionVector(data,normal) reflect (data.worldRefl, half3(dot(data.internalSurfaceTtoW0,normal),dot(data.internalSurfaceTtoW1,normal), dot(data.internalSurfaceTtoW2,normal)))#define WorldNormalVector(data,normal) fixed3(dot(data.internalSurfaceTtoW0,normal),dot(data.internalSurfaceTtoW1,normal), dot(data.internalSurfaceTtoW2,normal))
实际上在本例中，上述宏并没有被用到。这些宏是为了在修改了表面法线的情况下，辅助计算得到世界空间下的反射方向和法线方向，与之对应的是Input结构体中的一些变量。
4.
接着，Unity把我们在表面着色器中编写的CG代码复制过来，作为Pass的一部分，以便后续调用。
5.
然后Unity定义了顶点着色器到片元着色器的插值结构体（即顶点着色器的输出结构体）v2f_surf。在定义之前，Unity使用#ifdef语句来判断是否使用了光照纹理，并为不同的情况生成不同的结构体。主要的区别是，如果没有使用光照纹理，就需要定义一个存储逐顶点和SH的光照变量。
// vertex-to-fragment interpolation data // no lightmaps: #ifndef LIGHTMAP_ON // half-precision fragment shader registers: #ifdef UNITY_HALF_PRECISION_FRAGMENT_SHADER_REGISTERS struct v2f_surf { UNITY_POSITION(pos); float4 pack0 : TEXCOORD0; // _MainTex _BumpMap float4 tSpace0 : TEXCOORD1; float4 tSpace1 : TEXCOORD2; float4 tSpace2 : TEXCOORD3; fixed3 vlight : TEXCOORD4; // ambient/SH/vertexlights UNITY_LIGHTING_COORDS(5,6) #if SHADER_TARGET >= 30 float4 lmap : TEXCOORD7; #endif UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO }; #endif // high-precision fragment shader registers: #ifndef UNITY_HALF_PRECISION_FRAGMENT_SHADER_REGISTERS struct v2f_surf { UNITY_POSITION(pos); float4 pack0 : TEXCOORD0; // _MainTex _BumpMap float4 tSpace0 : TEXCOORD1; float4 tSpace1 : TEXCOORD2; float4 tSpace2 : TEXCOORD3; fixed3 vlight : TEXCOORD4; // ambient/SH/vertexlights UNITY_SHADOW_COORDS(5) #if SHADER_TARGET >= 30 float4 lmap : TEXCOORD6; #endif
上面的变量名看起来很陌生，但实际上大部分变量的含义我们在之前都碰到过，只是这里使用了不同的名称而已。例如在下面我们会看到，pack0实际上存储的就是主纹理和法线纹理的采样坐标，而tSpace0、tSpace1和tSpace2存储了从切线空间到世界空间的变换矩阵。一个比较陌生的变量是vlight，Unity会把逐顶点和SH光照的结果存储到该变量里，并在片元着色器中和原光照结果进行叠加（如果需要的话）。
6.
随后，Unity定义了真正的顶点着色器。顶点着色器会首先调用我们自定义的顶点修改函数来修改一些顶点属性：
// vertex shader v2f_surf vert_surf (appdata_full v) { UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v); v2f_surf o; UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(v2f_surf,o); UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(v,o); UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o); myvert (v);
在我们的实现中，只对顶点坐标进行了修改，而不需要向Input结构体中添加存储新的变量。也可以使用另一个版本的函数声明来把顶点修改函数中的某些计算结果存储到Input结构体中：
void vert（inout appdata_full v，out Input o）；
之后的代码是用于计算v2f_vert中各个变量的值。例如计算经过MVP矩阵变换后的顶点坐标；使用TRANSFORM_TEX内置宏计算两个纹理的采样坐标，并分别存储在o.pack0的xy分量和zw分量中；计算从切线空间到世界空间的变换矩阵，并把矩阵的每一行分别存储在o.tSpace0、o.tSpace1和o.tSpace2变量中；判断是否使用了光照映射和动态光照映射，并在需要时把两种光照纹理的采样坐标计算结果存储在o.lamp.xy和o.lamp.zw分量中；判断是否使用了光照映射，如果没有的话就计算该顶点的SH光照（一种快速计算光照的方法），把结果存储到o.vlight中；判断是否开启了逐顶点光照，如果是就计算最重要的4个逐顶点光照的光照结果，把结果叠加到o.vlight中。
最后计算阴影坐标并传递给片元着色器：
TRANSFER_SHADOW（o）；//pass shadow coordinates to pixel shader return o； 7.
在Pass的最后，Unity定义了真正的片元着色器。Unity首先利用插值后的结构体v2f_surf来初始化Input结构体中的变量：
// fragment shader fixed4 frag_surf (v2f_surf IN) : SV_Target { UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(IN); // prepare and unpack data Input surfIN; #ifdef FOG_COMBINED_WITH_TSPACE UNITY_RECONSTRUCT_TBN(IN); #else UNITY_EXTRACT_TBN(IN); #endif UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input,surfIN); surfIN.uv_MainTex.x = 1.0; surfIN.uv_BumpMap.x = 1.0; surfIN.uv_MainTex = IN.pack0.xy; surfIN.uv_BumpMap = IN.pack0.zw;
随后Unity声明了一个SurfaceOutput结构体的变量，并对其中的表面属性进行了初始化，再调用了表面函数：
#ifdef UNITY_COMPILER_HLSL SurfaceOutput o = (SurfaceOutput)0; #else SurfaceOutput o; #endif o.Albedo = 0.0; o.Emission = 0.0; o.Specular = 0.0; o.Alpha = 0.0; o.Gloss = 0.0; fixed3 normalWorldVertex = fixed3(0,0,1); o.Normal = fixed3(0,0,1); // call surface function surf (surfIN, o);
在上面的代码中，Unity还使用#ifdef语句判断当前的编译语言是否是HLSL，如果是就使用更严格的声明方式来声明SurfaceOutput结构体（因为DirectX平台往往有更严格的意义要求）。当对各个表面属性进行初始化后，Unity调用了表面函数surf来填充这些表面属性。
之后Unity进行了真正的光照计算。首先计算得到了光照衰减和世界空间下的法线方向：
// compute lighting & shadowing factor UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, IN, worldPos) fixed4 c = 0; float3 worldN; worldN.x = dot(_unity_tbn_0, o.Normal); worldN.y = dot(_unity_tbn_1, o.Normal); worldN.z = dot(_unity_tbn_2, o.Normal); worldN = normalize(worldN); o.Normal = worldN;
其中变量c用于存储最终的输出颜色，此时被初始化为0。随后Unity判断是否关闭了光照映射
#ifndef LIGHTMAP_ON c.rgb += o.Albedo * IN.vlight; #endif // !LIGHTMAP_ON
如果没有使用光照映射，意味着我们需要使用自定义的光照模型计算光照结果：
// realtime lighting: call lighting function #ifndef LIGHTMAP_ON c += LightingCustomLambert (o, lightDir, atten); #else c.a = o.Alpha; #endif
而如果使用了光照映射的话，Unity会根据之前由光照纹理得到的结果得到颜色值，并叠加到输出颜色c中。如果还开启了动态光照映射，Unity还会计算对动态光照纹理的采样结果，同样把结果叠加到输出颜色c中。
最后，Unity调用自定义的颜色修改函数，对输出颜色c进行最后的修改：
mycolor (surfIN, o, c); UNITY_OPAQUE_ALPHA(c.a); return c;
在上面的代码中，UNity还使用了内置宏UNITY_OPAQUE_ALPHA（在UnityCG.cginc里被定义）来重置片元的透明通道。在默认情况下，所有不透明类型的表面着色器的透明通道都会被重置为1.0，而不管我们是否在光照函数中改变了它。如上所示。如果我们想要保留它的透明通道的话，可以在表面着色器的编译指令中添加keepalpha参数。
六、Surface Shader的缺点
从上面的例子我们可以看出，表面着色器给我们带来了很大方便。那么我们之前为什么还要花那么久的时间学习顶点/片元着色器？直接写表面着色器不就好了吗？
正如我们一直强调的那样，表面着色器只是Unity在顶点/片元着色器上面提供的一种封装，是一种更高层的抽象。但任何在表面着色器中完成的事情，我们都可以在顶点/片元着色器中实现，但不幸的是，这句话反过来并不成立。
这世上任何事情都是有代价的，如果我们想要得到遍历，就需要以牺牲自由度为代价。表面着色器虽然可以快速实现各种光照效果，但我们失去了对各种优化和各种特效实现的控制。因此使用表面着色器往往会对性能造成一些影响，而内置的Shader，例如Diffuse、BumpedSpecular等都是使用表面着色器编写的。
除了性能比较差以外，表面着色器还无法完成一些自定义的渲染效果。如前面讲到的透明玻璃的效果。表面着色器的这些缺点让很多人更愿意使用自由的顶点/片元着色器来实现更重效果，尽管处理光照时这可能难度更大一些。
因此我们给出以下建议供读者参考：
如果你需要和各种光源打交道，尤其是想要使用Unity中全局光照的话，你可能更喜欢使用表面着色器，但要时刻小心他的性能。 如果你需要处理的光源数目非常的少，例如只有一个平行光，那么使用顶点/片元着色器是一个更好的选择。 更重要的是，如果你有很多自定义的渲染效果，那么请选择顶点/片元着色器。
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