【Unity3D Shader编程】之九深入理解Unity5中的Standard Shader (一)&屏幕水幕特效的实现

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/poem_qianmo/article/details/49556461

本文详细介绍了Unity5中的Standard Shader，包括基于物理的着色技术、延迟渲染和Shader的源代码剖析。此外，还展示了如何实现屏幕水幕特效，包括Shader和C#脚本的实现细节，并提供了最终效果的对比展示。

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作者：毛星云（浅墨） 微博：http://weibo.com/u/1723155442

本文工程使用的Unity3D版本： 5.2.1

概要：本文主要介绍了Unity5中的标准着色器，并且也涉及到了基于物理的着色、延迟渲染等高级着色技术，而在文章后半部分，也对屏幕水幕特效的实现方法进行了讲解与分析。

依然是附上一组本文配套工程的运行截图之后，便开始我们的正文。如下图。

打开水幕特效的效果图：

原始的城镇场景：

需要说明，这里的水幕特效是动态的水流效果。本来准备传GIF上来展示动态的效果，但受图片尺寸2M的限制，无法出色地表现出动态效果（帧数有限，图片清晰度也会大打折扣）。建议感兴趣的朋友们下载这里提供的游戏场景的exe，自己在机器上体验水幕效果，比看博文中贴出的图片效果好太多。

【可运行的本文配套exe游戏场景请点击这里下载】

提示：在此游戏场景中按F键可以开关屏幕特效。

在文章末尾有更多的运行截图，并提供了源工程的下载。

好的，正文开始。

一、认识Unity5中的Standard Shader

Unity5中重点推出了一套基于物理的着色（Physically Based Shading，PBS）的多功能Shader，叫做标准着色器（Standard Shader）。这套Shader的设计初衷是化繁为简。想用这样的一个多功能Shader，来代替之前多种多样的Shader各司其职，对于不同的材质效果，需要不同的Shader的局面。

Unity 5中目前有两个标准着色器，一个名为Standard，我们称它为标准着色器的标准版，另一个名为Standard（Specular Setup），我们称它为标准着色器的高光版，它们共同组成了一个完整的PBS光照明模型，且非常易于使用。其实这两个Shader基本差不多，只是有细微的属性参数上的区别。标准版这边的_Metallic（金属性）、_MetallicGlossMap（金属光泽贴图），被高光版的_SpecColor（高光颜色）、_SpecGlossMap（高光颜色法线贴图）所代替。

标准着色器主要是针对硬质表面（也就是建筑材质）而设计的，可以处理大多数现实世界的材质，例如石头、陶瓷、铜器、银器或橡胶等。同时，它也可以非常出色地处理一些非硬质表面的材质，例如皮肤、头发或布料等。

如下的一个Unity官方放出的名为VikingVillage的场景中，所有的物体材质都是使用的标准着色器，标准着色器的广泛适用性可见一斑。

而在Unity5的官方放出的演示demo视频中，也是用一个标准着色器，Standard（Specular Setup），就完成了游戏场景中绝大多数物体的材质显示。

Unity5 Standard Shader的演示Demo可以看这里：

http://www.iqiyi.com/w_19rquxac31.html

Unity5 PBS技术的演示Demo截图：

下面稍微对Standard shader中核心的概念——基于物理的着色做一个大概的了解。

1.1 基于物理的着色（Physically Based Shading）技术概览

基于物理的着色（Physically Based Shading，简称PBS）就是以某种方式模拟现实中材质和光照的相互作用的一种着色方法。这种方法在需要光照和材质更加直观和逼真地协同工作的场合下优势非常明显。基于物理的着色模拟了光线在现实中的行为，实现了在不同的光照条件下的逼真效果。为实现这种效果需要遵循各种物理原理，包括能量守恒（也就是物体反射出去的光量不可能超过所接收的光量），Fresnel反射（所有表面反射在掠射角（grazing angles）处更加强烈），以及物体表面是如何自我遮挡等原理。

其实，PBS技术在多年前于虚幻三游戏引擎中就已经被广泛使用，而Unity直到最近刚发布的第五代，才将此特性作为官方的特性实现出来。而在Unity5发布之前，Unity的Asset Store中，已经有不少的第三方插件，在Unity中实现了PBS技术。

关于PBS技术，知乎上有一个专栏，专门介绍PBS技术的一些相关原理，在这里推荐一下：

基于物理着色（一）

基于物理着色（二）- Microfacet材质和多层材质

基于物理着色（三）- Disney和UE4的实现

这边贴一张专栏中的配套渲染图，效果非常出色：

1.2 如何使用标准着色器

可以在Unity5中任意材质的Shader选项中的最前面看到两个Standard Shader字样的选项。其中第一个是普通版，第二个带Specularsetup是高光版。

标准着色器标准版材质界面：

标准着色器的高光版材质界面：

不难得知&