Unity面试题学习笔记（12）——Shader入门表面着色器篇
参考文献：1.表面着色器：
概念：
表面着色器是Unity对顶点和片元着色器的一个封装。
Unity会通过程序员编写的Surf函数来自动生成顶点和片元着色器（本质上还是顶点和片元着色器）。
原理：
可以定义一个“表面函数”，它将您需要的所有 UV 或数据作为输入，并填充输出结构SurfaceOutput。SurfaceOutput 基本上描述了_表面的属性_（反照率颜色、法线、发光、镜面反射等）。需要使用 HLSL 编写此代码。
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;
}
输出结构（inout）：
下面是表面着色器的标准输出结构：
struct SurfaceOutput
{
fixed3 Albedo;// 漫射颜色
fixed3 Normal;// 切线空间法线（如果已写入）
fixed3 Emission; // 自发光
half Specular;// 0..1 范围内的镜面反射能力
fixed Gloss; // 镜面反射强度
fixed Alpha; // 透明度 Alpha
};
表面着色器还可以使用基于物理的光照模型。内置标准光照模型和标准镜面反射光照模型（见下文）分别使用以下输出结构：
struct SurfaceOutputStandard
{
fixed3 Albedo; // 基础（漫射或镜面反射）颜色
fixed3 Normal; // 切线空间法线（如果已写入）
half3 Emission;
half Metallic; // 0=非金属，1=金属
half Smoothness; // 0=粗糙，1=平滑
half Occlusion; // 遮挡（默认为 1）
fixed Alpha; // 透明度 Alpha
};
struct SurfaceOutputStandardSpecular
{
fixed3 Albedo; // 漫射颜色
fixed3 Specular; // 镜面反射颜色
fixed3 Normal; // 切线空间法线（如果已写入）
half3 Emission;
half Smoothness; // 0=粗糙，1=平滑
half Occlusion; // 遮挡（默认为 1）
fixed Alpha; // 透明度 Alpha
};
输入结构（Input）：
输入结构 Input 通常具有着色器所需的所有纹理坐标。纹理坐标必须命名为“uv”后跟纹理名称的形式（如果要使用第二个纹理坐标集，则以“uv2”开头）。
可以放入输入结构的其他值：
[*]float3 viewDir - 包含视图方向，用于计算视差效果、边缘光照等等。
[*]具有 COLOR 语义的 float4 - 包含插值的每顶点颜色。
[*]float4 screenPos - 包含反射或屏幕空间效果的屏幕空间位置。请注意，这不适合 GrabPass；您需要使用 ComputeGrabScreenPos 函数自己计算自定义 UV。
[*]float3 worldPos - 包含世界空间位置。
[*]float3 worldRefl - 在_表面着色器不写入 o.Normal_ 的情况下，包含世界反射矢量。有关示例，请参阅反光漫射 (Reflect-Diffuse) 着色器。
[*]float3 worldNormal - 在_表面着色器不写入 o.Normal_ 的情况下，包含世界法线矢量。
[*]float3 worldRefl; INTERNAL_DATA - 在_表面着色器写入 o.Normal_ 的情况下，包含世界反射矢量。要获得基于每像素法线贴图的反射矢量，请使用 WorldReflectionVector (IN, o.Normal)。有关示例，请参阅反光凹凸 (Reflect-Bumped) 着色器。
[*]float3 worldNormal; INTERNAL_DATA - 在_表面着色器写入 o.Normal_ 的情况下，包含世界法线矢量。要获得基于每像素法线贴图的法线矢量，请使用 WorldNormalVector (IN, o.Normal)。
编译指令：
就像任何其他着色器一样，表面着色器放置在 CGPROGRAM..ENDCG 代码块内。不同之处在于：
[*]它必须放在 SubShader 代码块内，不能在 Pass 内。表面着色器本身将编译为多个通道。
[*]它使用 #pragma surface ... 指令来指示自己是表面着色器。
#pragma surface 指令为：
# pragma surface surfaceFunction lightModel
[*]surfaceFunction - 具有表面着色器代码的 Cg 函数。该函数的格式应为 void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)，其中 Input 是您定义的结构。Input 应包含表面函数所需的任何纹理坐标和额外自动变量。
[*]lightModel - 要使用的光照模型。内置光照模型是基于物理的 Standard 和 StandardSpecular，以及简单的非基于物理的 Lambert（漫射）和 BlinnPhong（镜面反射）。请参阅自定义光照模型页面以了解如何编写自己的光照模型。
[*]Standard 光照模型使用 SurfaceOutputStandard 输出结构，并与 Unity 中的标准（金属性工作流）着色器匹配。
[*]StandardSpecular 光照模型使用 SurfaceOutputStandardSpecular 输出结构，并与 Unity 中的标准（镜面反射设置）着色器匹配。
[*]Lambert 和 BlinnPhong 光照模型不是基于物理的（来自 Unity 4.x），但使用这两个光照模型的着色器在低端硬件上可以提高渲染速度。
[*]可选参数（optionalparams）详情见参考文献。
2.编写表面着色器：
[*]首先，表面着色器不需要定义通道（Pass），所有内容全部写在SubShader中。
[*]CGPROGRAM ENDCG语句块依然适用。
[*]#pragma 这次用表着色器特殊的格式书写，详情请见上述编译指令模块。
[*]只有一个主函数，通过获取输入结构中的信息，在函数中对这些信息进行处理，并将它们赋值给输出结构对应的参数，最终返回输出结构即可。
[*]输入输出结构详情见上节。
3.法线贴图：
概念：
使表面看起来更粗糙，且不会生成额外的平面，降低渲染成本。
语法：
[*]在properties中定义一个2D类型的变量，默认值为“Bump”（凹凸贴图）。
_NormalMap("NormalMap",2D) = "bump" {}
[*]在SubShader中申明一个sampler2D类型的采样器，在表面着色器的surf函数中用该采样器对法线贴图进行采样。
[*]使用UnpackNormal（）函数将tex2D（）函数采集到的数据封装成法线类型的变量，并将该变量赋值给输出结构中对应的Normal变量。
sampler2D _NormalMap;
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;
// 用uv坐标对法线贴图进行采样并赋值给输出结构中的Normal变量
o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap,IN.uv_MainTex));
// Metallic and smoothness come from slider variables
o.Metallic = _Metallic;
o.Smoothness = _Glossiness;
o.Alpha = c.a;
}
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