Cocos Creator材质系统教程：自定义Shader实现高级渲染效果
项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/co/cocos-engine 你是否还在为游戏画面表现力不足而困扰？是否想让场景中的水面、玻璃或金属质感更加逼真？本文将带你深入了解Cocos Creator材质系统，通过自定义Shader（着色器）实现高级渲染效果，让你的游戏视觉质量提升一个档次。读完本文后，你将能够：掌握材质系统基本概念、编写自定义Shader代码、实现水面波动等动态效果，并应用于实际项目开发中。
材质系统核心概念
Cocos Creator的材质系统是连接渲染管线和美术资源的桥梁，它通过材质（Material） 和Shader的组合来控制物体的外观表现。材质定义了物体的表面属性（如颜色、纹理、反光度），而Shader则是一段运行在GPU上的程序，负责计算每个像素的最终颜色。
关键组件
- Effect资源：以
.effect为扩展名，包含完整的渲染管线配置和Shader代码，如editor/assets/effects/advanced/water.effect定义了水面渲染效果。 - 材质资源：基于Effect创建的实例，可调整Effect暴露的参数（如颜色、纹理、强度）。
- Shader：Effect中定义的顶点着色器（Vertex Shader）和片段着色器（Fragment Shader），分别负责处理顶点位置和像素颜色计算。
工作流程
- 创建或导入Effect资源
- 基于Effect创建材质并调整参数
- 将材质赋值给场景中的3D模型或2D精灵
- 运行时由GPU执行Shader代码完成渲染
自定义Shader基础
Shader结构解析
Cocos Creator的Effect文件采用JSON-like格式定义，包含技术（techniques）、通道（passes）和Shader代码（CCProgram）三部分。以下是editor/assets/effects/advanced/water.effect的简化结构：
CCEffect %{
techniques:
- name: opaque
passes:
- vert: standard-vs # 顶点着色器入口
frag: standard-fs # 片段着色器入口
properties: # 可调整的材质参数
mainColor: { value: [1.0, 1.0, 1.0, 1.0] }
roughness: { value: 0.5 }
}%
CCProgram standard-vs %{
// 顶点着色器代码
void main () {
// 计算顶点位置
}
}%
CCProgram standard-fs %{
// 片段着色器代码
void main () {
// 计算像素颜色
}
}%
基础语法规则
- 变量声明：使用
uniform定义材质参数，如uniform vec4 mainColor; - 纹理采样：通过
sampler2D类型和texture函数获取纹理颜色：uniform sampler2D normalMap; vec4 texColor = texture(normalMap, uv); - 坐标变换：顶点着色器中需将局部坐标转换为裁剪空间坐标：
gl_Position = cc_matViewProj * cc_matWorld * vec4(a_position, 1.0);
实现动态水面效果
下面以editor/assets/effects/advanced/water.effect为例，详解如何实现具有波动效果的水面材质。
步骤1：定义材质参数
在Effect的properties部分添加控制水面行为的参数：
properties:
waterSpeed: { value: 0.2, editor: { slide: true, range: [0, 3.0] } } // 水波速度
normalMap: { value: normal } // 法线纹理，控制水面凹凸
baseTiling: { value: 100.0 } // 纹理平铺次数
这些参数会显示在Cocos Creator编辑器的属性面板中，方便美术人员调整。
步骤2：编写顶点着色器
顶点着色器负责计算顶点位置和传递纹理坐标，关键代码如下：
CCProgram standard-vs %{
#include <surfaces/includes/common-vs>
void main () {
// 标准顶点变换
CCVertInput();
CCStandardVertOutput();
// 传递纹理坐标到片段着色器
v_uv = a_texCoord * baseTiling;
}
}%
步骤3：实现片段着色器核心逻辑
片段着色器是实现水面效果的关键，主要通过法线纹理动画模拟水波：
CCProgram standard-fs %{
#include <surfaces/includes/common-fs>
// 声明uniform变量
uniform sampler2D normalMap;
uniform float waterSpeed;
void main () {
// 计算随时间变化的纹理坐标（实现动画效果）
vec2 uv = v_uv + vec2(cc_time.w * waterSpeed, 0);
// 采样法线纹理
vec3 normal = texture(normalMap, uv).xyz * 2.0 - 1.0;
// 计算光照（简化版）
vec3 lightDir = normalize(vec3(1.0, 1.0, 1.0));
float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
// 输出最终颜色
gl_FragColor = vec4(diff * mainColor.rgb, mainColor.a);
}
}%
上述代码通过cc_time.w获取时间变量，使纹理坐标随时间偏移，从而产生水面流动的视觉效果。
步骤4：高级优化 - 法线叠加
为增强水面细节，可使用两层法线纹理叠加：
vec2 uv1 = v_uv + vec2(cc_time.w * waterSpeed, 0);
vec2 uv2 = v_uv + vec2(0, cc_time.w * waterSpeed * 0.5);
vec3 normal1 = texture(normalMap, uv1).xyz * 2.0 - 1.0;
vec3 normal2 = texture(normalMapDetailed, uv2).xyz * 2.0 - 1.0;
vec3 finalNormal = normalize(normal1 + normal2 * 0.5);
这种方法能模拟不同尺度的波浪，使水面看起来更加自然。
材质参数调优指南
创建自定义材质后，合理调整参数是实现理想效果的关键。以下是针对水面效果的优化建议：
关键参数调整
| 参数名 | 作用 | 推荐值范围 |
|---|---|---|
roughness | 控制水面反光度 | 0.3-0.7（值越小越光滑） |
waterSpeed | 波浪移动速度 | 0.1-0.5（过快会导致闪烁） |
normalStrength | 法线强度 | 0.5-1.5（值越大波浪越明显） |
mainColor | 基础颜色 | 浅蓝色 [0.07, 0.13, 0.087, 1.0] |
性能优化技巧
- 纹理压缩：将法线纹理压缩为ETC/PVR格式，减少显存占用
- LOD技术：远距离时降低纹理精度或关闭复杂效果
- 实例化渲染：多个相同材质的物体使用同一材质实例
实际应用案例
场景设置步骤
- 在资源管理器中右键创建
Effect文件，复制editor/assets/effects/advanced/water.effect的内容并修改 - 基于新Effect创建材质，调整参数
- 将材质赋值给平面模型作为水面
- 添加 directional light 并调整角度，增强水面反光效果
常见问题解决
- 水面无波动：检查
waterSpeed是否为0或normalMap是否正确赋值 - 性能下降：降低
baseTiling值减少纹理采样次数 - 边缘生硬：开启材质的透明通道，设置
blendState为src_alpha和one_minus_src_alpha
总结与进阶方向
通过本文学习，你已经掌握了Cocos Creator材质系统的核心概念和自定义Shader的基本方法。建议进一步探索以下高级主题：
- PBR材质：基于物理的渲染，实现更真实的金属、塑料等材质
- 后处理效果：结合摄像机后处理实现景深、 bloom 等全屏效果
- GPU粒子：利用Compute Shader实现大规模粒子系统
鼓励你尝试修改editor/assets/effects/advanced/glass.effect或editor/assets/effects/advanced/car-paint.effect等内置Effect，创造独特的视觉效果。如有疑问，可查阅官方文档或加入Cocos开发者社区交流讨论。
希望本文对你的游戏开发之路有所帮助，别忘了点赞、收藏并关注后续教程！下一期我们将深入探讨PBR材质的原理与实现。
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
