Unity 3D ShaderLab 开发实战详解 第3版

作者

丛书名

出版社

人民邮电出版社

ISBN

9787115505408

简要

简介

内容简介书籍计算机书籍 内 容 提 要 本书全面讲解了Unity Shader渲染的实用技术，分为5篇，共31章。主要内容有着色器的概念和渲染流水线，渲染原理和图形存储器，Unity中着色器的形态，着色器中用到的各种空间概念，基本的光照模型，通道，前向渲染路径，基于光照贴图的烘焙照明，柔和的低频照明，各种阴影，通道的通用指令开关，固定流水线，表面着色器，常用的材质，雾的计算，物体的分割，自定义光源，高级效果，以及着色器的组织和复用，渲染优化等。 本书适合移动开发者、游戏开发者、程序员阅读，也可作为大专院校相关专业的师生用书以及培训学校的教材。

目录

第 1篇　初识庐山真面目— Unity　3D着色器 第 1章　着色器的概念和渲染流水线　2 1.1　着色器的概念　2 1.1.1　虚拟世界中的光明和色彩　2 1.1.2　游戏开发人员的巅峰　2 1.1.3　着色器简史　2 1.1.4　着色器的实例化　3 1.1.5　着色器的实现语言　3 1.1.6　Unity中的着色器编程　4 1.2　渲染流水线　4 1.2.1　渲染流水线简介　4 1.2.2　渲染流水线阶段　5 1.3　渲染流水线执行阶段　6 1.3.1　输入装配阶段　6 1.3.2　顶点着色器　8 1.3.3　细化阶段　8 1.3.4　几何着色器　9 1.3.5　流输出阶段　10 1.3.6　片元着色器　10 1.3.7　输出合并阶段　11 1.4　其他一些细节　11 1.4.1　延迟渲染和前向渲染　11 1.4.2　批次合并渲染　13 第 2章　渲染原理和图形存储器　14 2.1　渲染原理　14 2.1.1　立即模式渲染　14 2.1.2　基于区块的（延迟）渲染　16 2.2　图形存储器　18 2.2.1　GPU的存储系统层次体系　19 2.2.2　数据结构　20 2.2.3　渲染所需的数据结构　23 2.2.4　合并批次渲染原理回顾　23 第3章　Unity中着色器的形态　25 3.1　Unity通过ShaderLab来组织着色器　25 3.1.1　关键字Shader　25 3.1.2　使用子着色器组织着色器的 不同实现　25 3.1.3　子着色器的重要标签　25 3.1.4　子着色器中的Pass块　26 3.1.5　Pass块的标签及其名字的 意义　26 3.1.6　使用FallBack语句保证 着色器的广泛适应性　27 3.2　Unity支持的着色器编程语言　27 3.3　Unity中着色器的3种形态　27 3.3.1　固定流水线　27 3.3.2　可编程着色器　28 3.3.3　ShaderLab中的表面着色器　29 3.4　着色器的数据接口—属性和uniform 变量　31 3.4.1　在Properties块中定义属性　31 3.4.2　通过图形界面操作属性　31 3.4.3　通过脚本操控属性　31 3.4.4　矩阵—不能在属性块中 定义的变量　32 3.4.5　在Cg代码中使用属性　32 第4章　着色器中用到的各种空间概念　33 4.1　模型空间　33 4.1.1　为什么用模型空间　33 4.1.2　在脚本和着色器中进出模型 空间　33 4.2　世界坐标空间　33 4.2.1　统一的坐标空间—世界坐标 空间　33 4.2.2　在脚本和着色器中进出世界 坐标空间　34 4.3　视空间　34 4.3.1　渲染的需要—视空间　34 4.3.2　在脚本和着色器中进出视 空间　34 4.4　空间的一块—视锥体　34 4.5　剪切空间　35 4.5.1　投影　35 4.5.2　脚本和着色器中的投影矩阵　35 4.5.3　验证NDC　35 4.6　NDC之后　36 第5章　基本的光照模型　37 5.1　光源对物体照明的分类　37 5.1.1　间接照明　37 5.1.2　直接照明　37 5.2　亮度的计算方式—光照模型　37 5.2.1　漫反射和Lambert　37 5.2.2　镜面高光和Phong　38 5.2.3　半角向量和BlinnPhong　38 第 2篇　让应用更炫彩— Unity中的照明 第6章　第 一个执行的通道　42 6.1　不同的LightMode被选择的顺序　42 6.1.1　渲染路径和通道的LightMode标签　42 6.1.2　设计可以检测渲染路径的 材质　42 6.1.3　设计便于检测渲染路径的 场景　43 6.1.4　观察那些渲染的通道　43 6.2　3个渲染路径之外的处理方式　45 6.2.1　LightMode的其他值　45 6.2.2　设计检测用的材质　45 第7章　前向渲染路径　47 7.1　渲染物体—ForwardBase和 ForwardAdd　47 7.1.1　设计检测用的场景和材质　47 7.1.2　ForwardBase和ForwardAdd的 表现　48 7.2　前向渲染路径下的光源　48 7.2.1　设计检测用的材质　48 7.2.2　光源的情况　48 7.2.3　Unity如何为前向渲染路径 设置光源　49 第8章　基于光照贴图的烘焙照明　50 8.1　烘焙的维度和属性矩阵　50 8.2　光照贴图　50 8.2.1　测试烘焙的场景　51 8.2.2　烘焙之后的场景　52 8.2.3　双光照贴图　52 8.3　在效果和性能间进行权衡　52 8.3.1　影响全局的Resolution选项　53 8.3.2　单个物体的选项　53 第9章　柔和的低频照明　55 9.1　初识光照探头　55 9.1.1　光照探头照明的优点　55 9.1.2　检测光照探头照明的场景　55 9.1.3　使用光照探头组进行管理　57 9.1.4　烘焙场景光照信息到光照 探头中　57 9.1.5　对比光照探头照明和实时 照明　58 9.2　放置光照探头的注意事项　59 9.2.1　必须形成一个体积　59 9.2.2　单个光照探头必须处于采样 光源的照射范围　59 9.3　照明采样的Anchor Override　59 9.3.1　动态更新光照探头　59 9.3.2　基于线性插值的采样　59 9.3.3　改变默认的插值位置　59 9.4　光照探头照明和阴影　60 9.4.1　光照探头和光照贴图的 异同　60 9.4.2　烘焙阴影时可能会犯的错误　61 9.4.3　将静态物体的阴影烘焙到 光照探头上　61 9.4.4　光照探头照明和实时阴影的 混合　62 9.5　烘焙一个色彩丰富的场景　62 9.6　在自己的材质中使用光照探头　63 9.6.1　为前向渲染路径中的材质计算 光照探头　63 9.6.2　使用ShadeSH9函数　64 9.6.3　在一个表面着色器中进行 计算　65 9.7　LPPV的设计目的　66 9.7.1　LPPV是什么　66 9.7.2　照明的场景　66 第3篇　使应用更逼真—阴影 第 10章　平面阴影　70 10.1　平行光对平面的投影　70 10.1.1　对平行光投影的考虑　70 10.1.2　进出阴影接受平面的矩阵　70 10.1.3　使用三角形相似计算阴影　71 10.2　点光源对平面的投影　72 10.3　阴影的淡出　73 10.3.1　有效利用平面阴影计算 过程中的数据　73 10.3.2　潜在的问题　74 第 11章　球体阴影　75 11.1　平行光对球体的投影　75 11.1.1　投影球体的信息　75 11.1.2　使用相似三角形计算投影　75 11.2　阴影的淡入/淡出　76 11.3　点光源对球体的投影　77 第 12章　体积阴影　78 12.1　将顶点沿某一方向挤出　78 12.1.1　在Vertex函数中操作　78 12.1.2　判断顶点是向光还是背光　79 12.2　从体积中找到阴影区域　79 12.2.1　两次挤出　79 12.2.2　计算出阴影区域　80 12.2.3　渲染阴影　80 12.2.4　需要注意的问题　80 第 13章　阴影映射　82 13.1　灯光空间和相机空间　82 13.1.1　观察两个空间　82 13.1.2　两个视角的Z深度　82 13.1.3　渲染Z深度的材质　83 13.2　投射Z深度　83 13.2.1　准备灯光视角的投影矩阵　83 13.2.2　在材质中计算投影后的Z 深度　84 13.3　比较Z深度　85 13.3.1　比较Z深度的材质　85 13.3.2　Z深度的精度引起的问题　87 13.3.3　提高Z深度的精度　87 13.3.4　对Z深度值进行偏移　88 第 14章　内置的阴影　89 14.1　Unity实时阴影的原理　89 14.1.1　基本原理　89 14.1.2　软阴影　89 14.2　投射阴影　90 14.2.1　使用ShadowCaster投射 阴影　90 14.2.2　在ShadowCaster里都做了 什么　91 14.2.3　写一个自己的ShadowCaster　91 14.2.4　改变ShadowCaster的行为　92 14.2.5　阴影和FallBack机制　92 14.3　接受阴影　94 14.4　表面着色器和阴影　94 14.4.1　表面着色器的阴影和 Fallback　94 14.4.2　表面着色器里的灯光参数和 阴影　95 14.4.3　表面着色器对前向渲染路径下 阴影的支持　95 14.5　阴影的批处理　96 14.5.1　批处理阴影的好处　96 14.5.2　简单的Caster　97 14.5.3　静态阴影的批处理　98 14.5.4　动态阴影的批处理　100 第4篇　Unity中的各种着色器 第 15章　通道的通用指令开关　104 15.1　使用LOD在运行时决定材质　104 15.1.1　材质的LOD　104 15.1.2　在运行时设定单个材质的 LOD　104 15.1.3　设定全局所有材质的 LOD　105 15.2　渲染队列　106 15.2.1　标签队列和渲染顺序　106 15.2.2　渲染队列和ZTest判断　107 15.2.3　Unity中内置的渲染队列　107 15.2.4　一个利用渲染队列的例子　107 15.3　透明的产生　108 15.3.1　Alpha检测和8种比较 条件　108 15.3.2　生成着色器的内容　108 15.3.3　结合AlphaTest和Blend 操作　109 15.4　混合操作及其应用　110 15.4.1　混合操作　110 15.4.2　生成着色器的代码　110 15.4.3　检测不同的混合操作　110 15.4.4　BlendOp选项　111 15.4.5　检测BlendOp操作　112 15.4.6　两个使用Blend生成的 效果　112 15.5　使用ColorMask　114 15.5.1　ColorMask的作用　114 15.5.2　检测ColorMask　114 15.5.3　一个使用ColorMask的 例子　115 15.6　深度测试　116 15.6.1　存取场景的深度测试　116 15.6.2　RenderType标签和与生成 深度测试的关联　116 15.6.3　内置RenderType的值　117 15.6.4　前向渲染路径下的 深度测试　117 15.7　Z深度的偏移量　118 15.7.1　干预正常深度测试的手段　118 15.7.2　观察偏移量在不同应用 条件下的表现　118 15.8　面的剔除操作　118 15.9　自动生成贴图的坐标　119 15.9.1　ObjectLinear和等价的 Cg代码　119 15.9.2　EyeLinear和等价的 Cg代码　120 15.9.3　SphereMap和等价的 Cg代码　121 15.9.4　CubeReflect和等价的 Cg代码　122 15.9.5　CubeNormal和等价的 Cg代码　122 15.10　抓屏操作　123 15.10.1　如何使用GrabPass　123 15.10.2　一个模拟曲面反射的 例子　124 15.11　雾效　124 15.11.1　雾效和Unity的3种 实现　124 15.11.2　材质中对雾效的控制　125 15.11.3　实现自己的雾效　126 15.12　蒙版　128 15.12.1　蒙版测试、Z深度和 Alpha测试　128 15.12.2　使用蒙版测试改变渲染 结果　128 15.12.3　综合使用蒙版和队列　128 第 16章　固定流水线　130 16.1　Unity中的固定流水线　130 16.1.1　固定流水线基本形态　130 16.1.2　与照明相关的Material块　130 16.1.3　处理纹理的SetTexture块　131 16.1.4　流水线基本形态的另一种 写法　131 16.1.5　Combine语句　131 16.2　使用顶点色　132 16.2.1　使用ColorMaterial　132 16.2.2　使用Bind　132 16.3　在固定流水线中使用光照贴图　132 16.4　嵌套Cg代码　133 第 17章　表面着色器　134 17.1　表面着色器的适应性　134 17.1.1　一个分析策略　134 17.1.2　测试用的场景　134 17.1.3　检测结果　135 17.2　延迟渲染和GeoBuffer　135 17.3　表面着色器的特殊性　136 17.3.1　表面着色器的混合和透明　136 17.3.2　自定义Vertex函数　137 第 18章　凹凸材质　139 18.1　切空间　139 18.2　凹凸贴图　139 18.2.1　计算到切空间的矩阵　139 18.2.2　Unity中法线贴图的压缩 格式　140 18.2.3　使用切空间矩阵的另一种 方法　140 18.2.4　Unity对切空间计算的 支持　141 18.2.5　解压缩法线贴图的函数　141 18.2.6　在切空间中计算高光　142 18.2.7　表面着色器和切空间　142 18.3　视差映射　143 18.3.1　视差映射及其别名　143 18.3.2　一个使用灰度图来 偏移UV的材质　143 18.3.3　结合法线贴图　145 18.3.4　用视角来决定UV偏移量　145 18.3.5　一个完整的实现　146 18.4　地势映射　147 18.4.1　视差映射的极限和地势映射的 面世　147 18.4.2　地势映射的算法　148 18.4.3　一个完整的实现　148 第 19章　卡通材质　151 19.1　描边　151 19.1.1　沿法线挤出轮廓　151 19.1.2　容易产生的问题　152 19.1.3　在视空间中挤出　152 19.1.4　顶点位置的另一个含义　153 19.1.5　调和法线和顶点方向　154 19.1.6　判断顶点的指向　154 19.1.7　不仅仅是轮廓　155 19.1.8　通过Z偏移量来描边　158 19.2　卡通着色　158 19.2.1　对光照进行离散化　158 19.2.2　使用2D贴图重新映射 光照　160 第 20章　镜面材质　162 20.1　镜像一个相机　162 20.1.1　镜子里的世界和我的计划　162 20.1.2　在脚本中对位置和角度进行 镜像　162 20.2　使用镜像相机来渲染和投影　163 20.2.1　镜面材质的工作—采样被 投影的渲染结果　163 20.2.2　脚本的工作—渲染镜像相机 和设置投影矩阵　164 20.3　镜像相机的近剪切平面和 倾斜矩阵　164 20.3.1　调节近剪切平面　164 20.3.2　使用倾斜矩阵微调视锥体　165 第 21章　透明和半透明材质　166 21.1　半透明材质　166 21.2　化繁为简　166 21.3　透明材质　167 第 22章　体积雾　170 22.1　距离的表达—相对于背景的 体积雾　170 22.1.1　需要计算的东西　170 22.1.2　使用一个通道来完成所有的 计算　170 22.1.3　黑色的雾效　171 22.2　厚度的表达—物体形体的 体积雾　172 22.2.1　必须计算的两个数据　172 22.2.2　在Unity中使用一个通道来 完成所有计算　172 第 23章　面积光　175 23.1　线光源　175 23.1.1　点、线、面　175 23.1.2　如何理解一个线光源　175 23.1.3　通过脚本传递线光源的 几何信息　175 23.1.4　计算线光源的照明　176 23.1.5　线光源的辐射方向　177 23.1.6　线光源的衰减　178 23.2　面积光源　179 23.2.1　面积光和线光源的不同　179 23.2.2　通过脚本设定面积光的 几何特性　179 23.2.3　计算面积光　179 23.2.4　和默认照明的整合　181 第 24章　体积光　183 24.1　体积光和体积阴影　183 24.1.1　体积光　183 24.1.2　体积光和体积阴影的关系　183 24.2　实现体积光　183 24.2.1　在着色器中表现体积光　183 24.2.2　脚本的帮助　184 第 25章　材质替代渲染　186 25.1　相机和渲染消息　186 25.1.1　相机的渲染消息发送顺序　186 25.1.2　最后能改变Cull操作结果的 地方　186 25.1.3　最后能设置材质数据的 地方　187 25.2　如何使用RenderWithShader方法　187 25.2.1　标签值不同的5个着色器　187 25.2.2　调用RenderWithShader 方法的脚本　189 25.2.3　替换用的5个材质　190 25.2.4　检测RenderWithShader 方法的效果　191 25.2.5　使用子着色器组织替代 材质　191 25.2.6　如何设置替代材质的属性　192 25.2.7　将结果输出到屏幕上　192 25.3　SetReplacementShader和 ResetReplacementShader与 RenderWithShader方法的异同　193 第 26章　后期效果　194 26.1　Graphics的两个方法　194 26.1.1　与相机渲染方法的不同 之处　194 26.1.2　Blit方法的简单示例　194 26.1.3　使用BlitMultiTap方法进行 多重采样　195 26.2　一个简单的调色　199 26.2.1　调色用的脚本　199 26.2.2　调色用的材质　200 26.2.3　更高效的做法　201 26.3　景深　203 26.3.1　用于模糊图像的材质　203 26.3.2　进行纵横两次模糊操作　204 26.3.3　进行混合操作的脚本　204 26.3.4　进行混合操作的材质　205 26.3.5　提供一个可调节参数　206 26.4　轮廓检测　206 26.4.1　用脚本获得场景的Z深度和 法线　207 26.4.2　在材质中进行边缘检测　207 26.5　扭曲　208 26.5.1　通过UV操作扭曲图像　208 26.5.2　限定扭曲的区域　209 26.5.3　使用物体来做遮罩　210 26.6　运动模糊　213 26.6.1　如何记录运动轨迹　213 26.6.2　实现运动模糊的材质　213 26.6.3　用于完成整个过程的脚本　214 26.6.4　通过Alpha和帧的混合操作 实现运动模糊　215 26.7　噪波　215 26.7.1　根据Z深度来混合噪波　216 26.7.2　根据明暗程度来混合噪波　217 26.8　色彩的溢出　217 26.8.1　色彩溢出的算法考量　218 26.8.2　实现色彩溢出的采样计算　218 第 27章　投影　220 27.1　Unity的Projector　220 27.1.1　Projector中材质的执行 顺序　220 27.1.2　如何写Projector使用的 材质　220 27.1.3　控制投影淡进淡出的矩阵　221 27.2　实现自己的投影　222 27.2.1　设定投影矩阵的脚本　222 27.2.2　采样投影的材质　223 27.2.3　直接投影到屏幕上　224 第 28章　分割一个物体　225 28.1　分割一个物体的思路　225 28.1.1　我们需要什么样的信息　225 28.1.2　脚本的帮助　225 28.2　在着色器中剪切一个物体　225 第5篇　着色器的组织和优化 第 29章　着色器的组织和复用　228 29.1　cginc文件　228 29.1.1　Unity的UnityCG.cginc 文件　228 29.1.2　定义自己的cginc文件　228 29.1.3　使用自定义的cginc文件　229 29.2　通过UsePass来复用通道　229 29.2.1　定义自己要复用的通道　229 29.2.2　复用这些通道　230 29.3　定义着色器的关键字　231 29.3.1　使用关键字改变着色器的 行为　231 29.3.2　自定义着色器的关键字　231 29.4　使用multi_compile编译着色器的 多个版本　232 29.4.1　使用multi_compile实现多次 编译　232 29.4.2　在脚本中选择着色器的 版本　232 29.4.3　使用自定义的材质编辑器　233 29.4.4　MaterialEditor　233 29.5　Unity对DX11支持所带来的 问题　234 第30章　基本的渲染概念　236 30.1　逐顶点计算和逐像素计算　236 30.1.1　逐顶点计算　236 30.1.2　逐像素计算　236 30.1.3　如何在这两个概念中 取舍　236 30.2　绘制调用的意义　236 30.2.1　绘制调用的概念　236 30.2.2　正确理解绘制调用对开发 应用的意义　236 30.2.3　合批的概念和Unity为优化 绘制调用所做的工作　237 30.2.4　优化绘制调用　237 30.3　利用渲染队列的技巧　237 30.3.1　渲染队列的概念　237 30.3.2　设置渲染队列的技巧　237 第31章　渲染优化　238 31.1　渲染优化的元素　238 31.2　小型物体的优化　238 31.3　中型物体的优化　240 31.4　大型物体的优化　241 31.5　模型的优化　242 31.6　地形的优化　243 31.7　UI的优化　246 31.8　物理引擎　248 31.9　慎用后期效果　248 31.10　慎用透明效果　248 31.11　其他　248 31.12　移动平台的特点　249 31.12.1　一些指令的运算速度　249 31.12.2　几何复杂度　249 31.12.3　贴图的问题　249 31.12.4　数据类型的使用方式　250 31.12.5　变量的使用　251 附录　相关资源　252

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