unity尧明的博客

List 和 Dictionary 等集合类型是 C# 中的基本工具。可悲的是，我不断在一个又一个的代码库中看到它们同样的滥用情况。今天我们将看看最重要的 5 个问题，并学习如何轻松避免它们！

在我们开发函数的过程中，我们会遇到一些导致数字小于“0”或大于“1”的操作，例如，在计算网格法线与光照方向的点积时，我们可以得到一个范围 -1.0f 和 1.0f 之间。为了深入理解这个概念，我们将执行以下操作：我们将创建一个新的着色器类型“Unlit Shader”，我们将其称为 USB_function_CEIL，并且我们将首先在纹理 _MainTex 中声明新的 UV 坐标 片段着色器阶段。我们将开始添加一个名为“Size”的属性，稍后我们将使用它来增加或减少圆的大小。因此，它等于“零”。

根据其术语，材质是表面渲染方式的定义，包括对纹理、平铺、偏移、颜色等的引用。材质的选项取决于所使用的着色器。我们如何将上述定义转化为实际水平？让我们将材质视为“着色器的容器”，这意味着我们拥有执行表面计算（着色器）的程序和能够读取这些计算的容器（材质）。单独的材料无法执行任何操作。如果它没有着色器，它将不知道应该如何渲染它，同样，如果不通过材质，着色器就无法应用于对象，因此，这个比喻之间材质和着色器是一个"预览的图形数学计算"。

在我们的着色器中，我们至少可以找到三个默认编译指示。这些是处理器指令，包含在 Cg 或 HLSL 中。它们的功能是帮助我们的着色器和某些原本无法识别的函数。#pragma vertex vert 允许名为 vert 的顶点着色器阶段作为顶点着色器编译到 GPU。这是至关重要的，因为如果没有这行代码，GPU 将无法将“vert”函数识别为顶点着色器阶段，因此，我们将无法使用对象中的信息，也无法将信息传递到片段着色器阶段 投影到屏幕上。

我们上面回顾的所有部分都是用 ShaderLab 声明性语言编写的，我们在图形编程语言中的真正挑战从 CGPROGRAM 或 HLSLPROGRAM 声明开始。默认情况下，我们可以看到Unity在我们的程序中包含了CG这个词。对此，官方文档（2021.2版本）中表示：Unity最初使用Cg语言，因此有一些单词和.cginc扩展名，但该软件不再使用这种语言，但是，这些单词仍然包含在内，出于兼容性原因，代码仍在编译中。

着色器的第二个组件是 SubShader。每个shader都由至少一个SubShader组成，以保证程序的完美加载。当有多个 SubShader 时，Unity 会对每个 SubShader 进行处理，并根据硬件特性从列表中的第一个到最后一个选择最合适的。为了理解这一点，我们假设着色器将在支持 Metal graph API (iOS) 的硬件上运行。为此，Unity 将运行第一个支持metal graph的 SubShader 并运行它。

在shader_feature中添加的变体是“常量”，因此它们以大写字母书写，这意味着，例如，如果我们的属性被称为_Change，那么在着色器变体中它应该被添加为“_CHANGE”。在前面的示例中，我们在括号中添加 KeywordEnum 绘制器，然后列出其状态，其中第一个对应于默认状态 (StateOff)。正如我们所看到的，我们将 Toggle 添加到括号中，然后声明属性，然后声明显示名称，后跟 Float 数据类型，最后将属性初始化为“Off”，因为我们在其默认值中添加了零。

在开始定义代码之前，我们必须考虑到 Unity 中存在三种与着色器开发相关的编程语言，它们是 HLSL（高级着色器语言 - Microsoft）、Cg（C for Graphics - NVIDIA），它们仍然可以编译到着色器中，但在当前版本的软件和 ShaderLab（声明性语言 - Unity）中不再使用。我们将开始在内置 RP 中使用 Cg 和 ShaderLab 语言进行冒险，然后在Universal RP 中引入 HLSL。Cg 是一种高级编程语言，旨在在大多数 GPU 上进行编译。

一般来说，在 High Definition RP 和 Universal RP 中，着色器都是在 Shader Graph 中创建的，Shader Graph 是一个包，其中包含一个接口，允许我们通过节点创建着色器，该节点有积极的一面和消极的一面。这个过程可以看作是场景中的对象和屏幕上的像素之间的同步步骤。同样，定向光会影响场景中找到的所有球体，因此，它将为每个球体生成额外的绘制调用，这主要是因为着色器中已包含第二个pass来计算阴影投影，因此， 四个球体加上单向光将总共生成八次绘制调用。

在进入代码之前，让我们先来了解一下什么是几何着色器。为了帮助我说明几何着色器的作用，下面是一个简化的实时渲染管道视图：这篇文章介绍的是 Vulkan 中的流水线，但其概念与其他流水线非常相似。黄色方框是流水线的实际阶段，我们可以用着色器进行编程/覆盖。值得注意的是，"Tessellation "阶段实际上分为 “Hull Shader 阶段”、"Tessellator 阶段 "和 “Domain Shader 阶段”。

使用 Assimp，我们可以将许多不同的模型加载到应用程序中，但是一旦加载，它们就会全部存储在 Assimp 的数据结构中。我们最终想要的是将该数据转换为 OpenGL 可以理解的格式，以便我们可以渲染对象。我们从上一章中了解到网格表示单个可绘制实体，所以让我们从定义我们自己的网格类开始。让我们回顾一下到目前为止我们学到的一些知识，以考虑网格至少应包含哪些数据。

到目前为止，在所有场景中，我们一直在和我们的容器小朋友一起玩，但随着时间的推移，即使是我们最好的朋友也会变得有点无聊。在更大的图形应用程序中，通常有许多复杂而有趣的模型，它们看起来比静态容器漂亮得多。然而，与容器对象不同的是，我们无法真正手动定义复杂形状（如房屋、车辆或类人角色）的所有顶点、法线和纹理坐标。相反，我们想要的是将这些模型导入到应用程序中；

在前面的章节中，我们学到了很多关于 OpenGL 光照的知识。我们了解了 Phong 着色、材质、光照贴图和不同类型的光投射器。在本章中，我们将通过创建一个具有 6 个活动光源的全光照场景来结合之前获得的所有知识。我们将模拟一个类似太阳的光作为定向光源，4 个点光源散布在整个场景中，我们还将添加一个手电筒。为了在场景中使用多个光源，我们希望将光照计算封装到 GLSL 函数中。

到目前为止，我们使用的所有照明都来自一个单一的光源，即空间中的一个点。它给出了很好的结果，但在现实世界中，我们有几种类型的光，每种光的作用都不同。将光投射到物体上的光源称为投光器。在本章中，我们将讨论几种不同类型的光投射器。学习模拟不同的光源是您工具箱中的另一个工具，可以进一步丰富您的环境。我们将首先讨论定向光，然后是点光源，它是我们之前的扩展，最后我们将讨论聚光灯。

在上一章中，我们讨论了每个物体都有自己独特的材料的可能性，这种材料对光的反应不同。与其他对象相比，这为每个对象提供了独特的外观，但在对象的视觉输出上仍然没有提供太多的灵活性。在上一章中，我们为整个对象定义了一个材质。然而，现实世界中的物体通常不是由单一材料组成，而是由多种材料组成。

在现实世界中，每个物体对光都有不同的反应。例如，钢制物品通常比粘土花瓶更闪亮，而木制容器对光的反应与钢制容器不同。一些物体反射光而没有太多散射，导致镜面高光较小，而其他物体散射很多，使高光半径更大。如果我们想在 OpenGL 中模拟多种类型的对象，我们必须定义每个表面特定的材料属性。在上一章中，我们定义了一个物体和光的颜色来定义物体的视觉输出，并结合了环境和镜面反射强度分量。

在上一节中，我们将法线向量直接从顶点着色器传递到片段着色器。但是，片段着色器中的计算都是在世界空间中进行的，难道我们不应该将法向量也转换为世界空间坐标吗？基本上是的，但它不像简单地将它与模型矩阵相乘那么简单。首先，法向量只是方向向量，并不代表空间中的具体位置。其次，法向量没有齐次坐标（顶点位置的 w 分量）。这意味着平移不应该对法向量有任何影响。

  我们在前面的章节中简要地使用和操作了颜色，但从未正确定义它们。 在这里，我们将讨论什么是颜色，并开始为即将到来的光照章节构建场景。  在现实世界中，颜色可以采用任何已知的颜色值，每个对象都有自己的颜色。 在数字世界中，我们需要将（无限）真实颜色映射到（有限）数字值，因此并非所有真实世界的颜色都可以数字表示。 使用通常缩写为 RGB 的红色、绿色和蓝色分量以数字方式表示颜色。 使用这 3 个值的不同组合，在 [0,1] 范围内，我们几乎可以表示任何颜色。 例如，要获得珊瑚色，我们将颜色向量定义为：  我

  在上一章中，我们讨论了视图矩阵以及如何使用视图矩阵在场景中移动（我们向后移动了一点）。 OpenGL 本身并不熟悉相机的概念，但我们可以尝试通过反向移动场景中的所有对象来模拟一个相机，给人一种我们正在移动的错觉。  在本章中，我们将讨论如何在 OpenGL 中设置相机。 我们将讨论一种可让您在 3D 场景中自由移动的飞行式相机。 我们还将讨论键盘和鼠标输入，并以自定义相机类结束。  当我们谈论相机/观察空间时，我们谈论的是从相机的角度看作为场景原点的所有顶点坐标：视图矩阵将所有世界坐标转换为相对于相机位

  在上一章中，我们学习了如何通过使用变换矩阵变换所有顶点来利用矩阵来发挥我们的优势。 OpenGL 期望我们想要变得可见的所有顶点在每个顶点着色器运行后都处于规范化的设备坐标中。 即每个顶点的x、y、z坐标应在-1.0到1.0之间； 超出此范围的坐标将不可见。 我们通常做的是在我们自己确定的范围（或空间）中指定坐标，并在顶点着色器中将这些坐标转换为归一化设备坐标 (NDC)。 然后将这些 NDC 提供给光栅化器以将它们转换为屏幕上的 2D 坐标/像素。  将坐标转换为 NDC 通常以分步方式完成，在最终将

  我们现在知道如何创建对象、为它们着色和/或使用纹理赋予它们详细的外观，但它们仍然不是那么有趣，因为它们都是静态对象。 我们可以尝试通过改变它们的顶点并在每一帧重新配置它们的缓冲区来让它们移动，但这很麻烦并且需要相当多的处理能力。 有很多更好的方法来转换对象，那就是使用（多个）矩阵对象。 这并不意味着我们要谈论功夫和大型数字人工世界。  矩阵是非常强大的数学结构，起初看起来很吓人，但一旦您习惯了它们，就会证明它们非常有用。 在讨论矩阵时，我们必须深入研究一些数学知识，对于更喜欢数学的读者，我将发布更多资源

  我们了解到，为了给我们的物体增加更多的细节，我们可以为每个顶点使用颜色来创造一些有趣的图像。然而，为了获得相当程度的真实感，我们必须要有很多顶点，这样我们就可以指定很多颜色。这需要相当多的额外开销，因为每个模型需要更多的顶点，每个顶点也需要一个颜色属性。  艺术家和程序员一般喜欢的是使用纹理。纹理是一种二维图像（甚至存在一维和三维纹理），用来给物体增加细节；把纹理想象成一张纸，上面有一个漂亮的砖头图像（例如），整齐地叠在你的三维房子上，这样看起来你的房子就有一个石头的外表。因为我们可以在一张图片中插入大

正如在Hello Triangle章节中提到的，着色器是停留在GPU上的小程序。这些程序为图形管道的每个特定部分运行。从基本意义上讲，着色器只不过是将输入转化为输出的程序。着色器也是非常孤立的程序，因为它们不允许相互交流；它们唯一的交流是通过其输入和输出。在上一章中，我们简单地接触了着色器的表面，以及如何正确使用它们。现在我们将对着色器，特别是OpenGL着色语言，进行更全面的解释。

在OpenGL中，一切都在3D空间中，但屏幕或窗口是一个2D像素数组，所以OpenGL的大部分工作是将所有3D坐标转换为适合屏幕的2D像素。将3D坐标转换为2D像素的过程由OpenGL的图形管道管理。图形管道可以分为两个大部分:第一部分将3D坐标转换为2D坐标，第二部分将2D坐标转换为实际的彩色像素。在本章中，我们将简要讨论图形管道以及如何使用它来创建漂亮的像素。

一旦我们退出渲染循环，我们就会正确地清理/删除所有分配给GLFW的资源。我们可以通过在main函数末尾调用的glfwTerminate函数来实现这一点。return 0;这将清除所有资源并正确退出应用程序。现在尝试编译你的应用程序，如果一切正常，你应该看到以下输出:如果这是一个非常无聊的黑色图像，那么你的做法是正确的!如果你没有得到正确的图像，或者你不知道这一切是如何组合在一起的，请查看这里的完整源代码(如果它开始闪烁不同的颜色，请继续阅读)。

在我们开始创建令人惊叹的图形之前，我们需要做的第一件事是创建一个 OpenGL 上下文和一个要绘制的应用程序窗口。但是，这些操作是每个操作系统特定的，OpenGL 有目的地尝试从这些操作中抽象出来。这意味着我们必须自己创建一个窗口，定义一个上下文，并处理用户输入。幸运的是，有相当多的库可以提供我们寻求的功能，其中一些专门针对 OpenGL。

在开始我们的旅程之前，我们应该首先定义 OpenGL 实际上是什么。OpenGL 主要被认为是一种 API（应用程序编程接口），它为我们提供了大量可用于操作图形和图像的函数。然而，OpenGL 本身并不是一个 API，而仅仅是一个规范，由 Khronos Group 开发和维护。OpenGL 规范明确规定了每个函数的结果/输出应该是什么以及它应该如何执行。

既然你来到这里，你可能想学习计算机图形的内部工作原理，并做所有的事情，酷孩子自己做所有的事情。自己做事情是非常有趣和机智的，并使你对图形编程有很大的了解。然而，在开始你的旅程之前，有几件事需要考虑。

在每个片段操作的概述中，蓝框表示数据，&&表示可配置的每个片段操作。&& Fragment Data (Color and Depth) - 片段着色器的输出Pixel Ownership Test (像素归属测试) - 通常不能由应用程序定制Scissor Test (剪刀测试) - 如果片段在指定的(剪刀)矩形之外，则失败Alpha Test - OpenGL ES 2.x中没有;结果取决于片段的alpha值(不透明度)，参考alpha值和配置的alpha测试。

在前一章中，我们介绍了Shader Graph及其在2D游戏中的一些可能的用例。在本章中，我们将探索3D项目中 Shader Graph 的其他用途，并利用高清渲染管道(简称HDRP)HDRP只针对高端硬件，如pc和游戏机，如Xbox One/S和PlayStation 4/5。它适用于高保真度的游戏、图像演示、建筑渲染器以及其他需要最佳图像的东西。这并不是说HDRP是高性能的。在做复杂的图形处理时，它比标准渲染管道快得多;但如果你想要的是一款更简单的游戏，这可能就有点过头了。

本章将介绍一些你可以在游戏中使用的高级着色器技术。你应该记住，你在游戏中看到的许多最引人注目的效果都是通过测试着色器的极限而产生的。这本书为你提供了修改和创建着色器的技术基础，但强烈鼓励你尽可能多地玩和实验它们。制作一款优秀的游戏并不是为了追求真实感;你不应该带着复制现实的意图接近着色器，因为这是不可能发生的。相反地，你应该尝试着将着色器作为一种工具去创造出真正独特的游戏。有了本章的知识，你将能够创建你想要的材质。

学习编写着色器最令人印象深刻的方面之一是创建自己的屏幕效果的过程，也称为后期效果。通过这些屏幕效果，我们可以创建具有Bloom、动态模糊、高动态范围(HDR)效果等令人惊叹的实时图像。今天市场上的大多数现代游戏都大量使用了这些屏幕效果，如景深效果，Bloom效果，甚至颜色校正效果。在第一章，后处理堆栈中，我们讨论了如何使用Unity内置的后处理堆栈，但在本章中，你将学习如何自己构建脚本系统。该系统将给你控制创建多种屏幕效果。

在接下来的两章中，我们将看看如何为不同的平台编写性能友好的着色器。我们不会特别讨论一个平台，但我们将分解着色器的元素，我们可以调整，使它们更适合移动和高效的任何平台。这些技术包括从理解Unity提供的内置变量来减少着色器内存的开销，到学习如何使我们的着色器代码更高效。学习优化着色器的艺术将出现在你所从事的任何游戏项目中。在任何生产环境中，总会有一个点需要优化着色器，或者可能它需要使用更少的纹理，但产生相同的效果。

到目前为止，我们一直依赖于表面着色器。它们被设计用来简化着色器编码的工作方式，为艺术家提供有意义的工具。如果我们想进一步了解着色器的知识，我们需要冒险进入顶点着色器和片段着色器的领域。与表面着色器相比，顶点着色器和片段着色器几乎没有关于物理属性的信息，这些物理属性决定了光如何反射到表面上。他们缺乏表达能力，却用力量来弥补。顶点和片段着色器不受物理约束的限制，非常适合非真实感效果。本章将关注一种叫做Grab通道的技术，它允许这些着色器模拟变形。

shader这个术语源于一个事实，即C for Graphics (Cg)主要用于在三维(3D)模型上模拟真实的光照条件(阴影)。尽管如此，着色器现在远不止于此。它们不仅可以定义物体的外观，还可以完全重新定义它们的形状。如果你想学习如何通过着色器操作3D对象的几何形状，这一章是适合你的。在第二章，创建你的第一个着色器中，我们解释了3D模型不仅仅是三角形的集合。每个顶点都可以包含正确渲染模型本身所必需的数据。本章将探讨如何访问这些信息，以便在着色器中使用它。

在Unity 5中引入的基于物理的渲染(PBR)是一种shading模型，它试图以一种与现实世界中光线工作方式相似的方式渲染图形。我们在第5章“理解照明模型”中遇到的所有照明模型都是对光的行为的非常原始的描述。创造它们最重要的方面是效率。实时阴影是昂贵的，像Lambertian或Blinn-Phong这样的技术是计算成本和真实感之间的妥协。拥有更强大的GPU让我们能够编写更复杂的照明模型和渲染引擎来模拟光的行为。简而言之，这就是PBR背后的哲学。

如果你熟悉Unity 4，你可能知道它提供的默认着色器是基于一个名为Lambertian refectance的照明模型。这个食谱将向你展示如何用自定义照明模型创建一个着色器。此外，我们将解释所涉及的数学和实现。下面的图表显示了同样的几何渲染标准着色器(在右边)和一个扩散兰伯特(在左边):基于Lambertian reftance的着色器被分类为非真实感;现实世界中没有一个物体是这样的。然而，Lambert着色器仍然经常用于低多边形游戏中，因为它们在复杂几何图形的表面之间产生了清晰的对比。

在本章中，我们将比上一章更详细地探讨表面着色器的主题。我们将开始建立一个非常简单的哑光材料和全息投影结束。表面着色器在第二章“创建你的第一个着色器”中介绍过，它是可以在Unity中使用的着色器类型之一。本章将向您展示这些是什么以及它们是如何工作的。下图大致总结了表面着色器的工作原理。自定义照明模型将在第五章“理解照明模型”中探讨，而第七章“顶点函数”将关注顶点修饰器。

本章将涵盖一些在今天的游戏开发阴影管道中发现的更常见的扩散技术。让我们想象一个立方体，它被均匀地涂成白色，在一个有定向光的3D环境中。即使在每张脸上使用的颜色是相同的，它们也会有不同的白色深浅，这取决于光线从哪个方向来，以及我们从哪个角度看它。这种额外的真实感是通过使用着色器在3D图形中实现的，着色器是一种特殊的程序，主要用于模拟光的工作原理。一个木制立方体和一个金属立方体可能共享相同的3D模型，但使它们看起来不同的是它们使用的着色器。本章将向你介绍如何在Unity中编写着色器。

Scriptable Render Pipeline (SRP) 是一种新的 Unity 系统和思维方式，它允许任何图形程序员开发自定义的渲染循环。这意味着，您将能够调整、减少、扩展游戏创建帧的方式。这将增加您优化游戏、创建自定义视觉效果、使您的系统更易于维护、修复直到现在无法修复的错误的潜力，但它的主要优势在于它可以让您更详细地了解图形的工作原理。这个想法基本上与（传统）黑盒内置渲染器相反，Unity 垄断了所应用的渲染算法。该技术随 Unity 2018.1 Beta 一起提供。