UnityShader学习笔记—

——内容源自唐老狮的shader课程

1.原理

2.Shader中内置的时间变量

3.Shader中经常会改变的数据

4.纹理动画

4.1.背景滚动

4.1.1.补充知识

4.1.2.基本原理

4.2.帧动画

4.2.1.基本原理

5.流动的2D河流

5.1.基本原理

5.2.关键步骤

5.3.补充知识

6.广告牌效果

6.1.概念

6.2.基本原理

7.顶点动画注意事项

7.1.批处理

7.1.1.为什么批处理会影响顶点动画

7.1.2.关闭批处理的问题

7.1.3.如何解决问题

7.2.阴影

7.2.1.问题的产生

7.2.2.解决

8.如有疏漏，还请指出

1.原理

利用时间变化来改变数据，从而导致渲染结果改变，带来画面变化

2.Shader中内置的时间变量

1.float4 _TIme：四个分量分别是（t/20，t，2t，3t），t代表游戏场景从加载开始所经过的时间

2.float4 _SinTime：四个分量分别是（t/8，t/4，t/2，t），t代表游戏运行时间的正弦值

3.float4 _CosTime：四个分量分别是（t/8，t/4，t/2，t），t代表游戏运行时间的余弦值

4.float4 unity_DeltaTime：(dt，1/dt，smootDt，1/smootDt)，dt代表帧间隔时间（上一帧到当前帧间隔时间），smootDt是平滑处理过的时间间隔，对帧间隔时间进行了某种平滑算法处理后得到的结果

3.Shader中经常会改变的数据

1.颜色：通过时间控制颜色的变化，如渐变，闪烁等

2.位置：利用时间使顶点在某个方向上移动，如波动等

3.纹理坐标：利用时间变化来改变纹理坐标，如水流，云彩，序列帧动画等

4.法线：利用时间动态修改法线方向，如风吹草动等

5.缩放：利用时间改变物体缩放比例，如脉动，跳动等

6.透明度：利用时间控制物体透明度，如淡入淡出，闪烁等

4.纹理动画

4.1.背景滚动

4.1.1.补充知识

frac(x)：内部计算规则为frac(x) = 1 - floor(x)，它能保留一个数的小数部分，负数保留的是小数部分+1的结果。它能保证uv坐标在0-1之间。

4.1.2.基本原理

不停地利用时间变量对uv坐标进行偏移运算，超过1的部分从0开始采样，小于1同理

Shader "Models_4/RollingBackground"
{Properties{_MainTex("Texture", 2D) = ""{}//控制流速_RollingSpeedU("RollingSpeedU", Float) = 1_RollingSpeedV("RollingSpeedV", Float) = 1}SubShader{Tags { "RenderType"="Transparent" "Queue" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True"}ZWrite OffBlend SrcAlpha OneMinusSrcAlphaPass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"sampler2D _MainTex;float _RollingSpeedU;float _RollingSpeedV;struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float4 pos : SV_POSITION;};v2f vert (appdata_full v){v2f data;data.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);data.uv = v.texcoord.xy;return data;}fixed4 frag (v2f f) : SV_Target{float2 uv = frac(float2(_Time.y * _RollingSpeedU, _Time.y * _RollingSpeedV) + f.uv);fixed4 backTex = tex2D(_MainTex, uv);return backTex;}ENDCG}}
}

4.2.帧动画

4.2.1.基本原理

通过_Time.y确认当前具体应该是哪一帧，然后算出在图中的几行几列，即确认采样范围，然后将采样范围缩放到 0-1 之间，但由于uv采样是从左下角开始，故采样范围要经过一点变化。

Shader "Models_4/SequenceFrame"
{Properties{_MainTex("MainTex", 2D) = ""{}//图集行列_Rows("Rows", Int) = 8_Columns("Columns", Int) = 8_SequenceFrameSpeed("SequenceFrameSpeed", Float) = 1}SubShader{Tags { "RenderType" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "Queue" = "Transparent" }ZWrite OffBlend SrcAlpha OneMinusSrcAlphaPass{Tags {}CGPROGRAM#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"#pragma vertex vert#pragma fragment fragsampler2D _MainTex;float _Rows;float _Columns;float _SequenceFrameSpeed;struct v2f{float4 pos : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;};v2f vert(appdata_full v){v2f data;data.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);data.uv = v.texcoord.xy;return data;}fixed4 frag(v2f f) : SV_TARGET{//当前帧的索引 float frameIndex = floor(_Time.y * _SequenceFrameSpeed) % (_Rows * _Columns);//图片采样起始位置的运算，除以对应的行和列的目的是 将其转换到0-1的坐标范围内//这里1 - ，是因为要把图片坐标系（左上为原点）转换为 uv坐标系（左下为原点）//+ 1 也差不多这个原因float2 frameUV = float2((frameIndex % _Columns) / _Columns, 1 - ((floor(frameIndex / _Columns) + 1) / _Rows));float2 size = float2(1 / _Columns, 1 / _Rows);//* size 相当于把0 - 1范围 缩放到了0 - 1/8的范围内//+ frameUV 是把起始的采样位置 移到了 对应帧(小格子)的起始采样位置float2 uv = f.uv * size + frameUV;fixed4 frameColor = tex2D(_MainTex, uv);return frameColor;}ENDCG}}
}

5.流动的2D河流

5.1.基本原理

让我们的顶点在对应的轴上产生偏移，主要运用的是Shader中的内置函数sin以及内置时间变量_Time.y

波浪感的关键因素：

        1.波长：                  其越大，波动越缓慢，周期越长
        2.波长的倒数：   其越大，波动越频繁，周期越短
        3.频率：                  单位时间内波动发生的次数
        4.幅度：                  波峰或波谷相对于中线的最大偏移位置

5.2.关键步骤

1.让顶点上下动起来：让sin参与计算，如sin(_Time.y)，可使其不断返回-1~1之间的值，而为了控制波动频率，可以用sin(_Time.y * 波动频率)

问题是所有顶点的偏移都一样，会出现整体移动的效果

2.让顶点有差异地动起来：以不同地坐标制造差异性，可以使用sin(_Time.y * 波动频率 + 顶点某轴的坐标)，然后用得到的返回值作为顶点在某一轴向的偏移值，便可以让顶点有差异性的动起来

问题是无法体现波长和波动幅度（振幅，或者说幅度）

3.体现波长和幅度：使用

波动幅度 * sin(_Time.y * 波动频率 + 顶点某轴坐标 * 波长的倒数)

倒数越大，波形周期越短

具体轴向根据模型空间决定

5.3.补充知识

渲染标签DisableBatching：其作用是是否对SubShader关闭批处理，原因是我们在制作顶点动画的时候，有时需要使用模型空间下的数据，而批处理会合并所有相关的模型，这些模型各自的模型空间会丢失，导致我们无法正确使用模型空间下相关数据。在实现2d河流效果时，我们就需要让顶点在模型空间下进行偏移，因此需要使用该标签，为Shader关闭批处理。

同时，对于导入的模型资源，要观察其符不符合unity轴向标准（左右x，上下y，前后z）

Shader "Models_4/Water_2D"
{Properties{_MainTex("MainTex", 2D) = ""{}//类似漫反射颜色（大概）_Color("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)//振幅_WaveAmplitude("WaveAmplitude", Float) = 1//波动频率_WaveFrequency("WaveFrequency", Float) = 1//波长的倒数_InvWaveLength("InvWaveLength", Float) = 1//纹理变化速度_Speed("Speed", Float) = 1}SubShader{Tags { "Queue" = "Transparent" "IgnorProjector" = "True" "RenderType" = "Transparent" "DisableBatching" = "True" }Pass{Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }ZWrite OffBlend SrcAlpha OneMinusSrcAlphaCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_fwdbase#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"#include "AutoLight.cginc"sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float4 _Color;float _WaveAmplitude;float _WaveFrequency;float _InvWaveLength;float _Speed;struct v2f{float4 pos : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;};v2f vert(appdata_full v){v2f data;float4 offset = float4(0, 0, 0, 0);//在世界空间下看，模型的x是y轴，我们要对模型的x轴进行改变，但不能直接改变世界空间下的y轴，因为世界空间下改变不会作用到模型空间下//直接改模型空间的点，并且对其原始状态上的轴做判断offset.x = _WaveAmplitude * sin(_WaveFrequency * _Time.y + v.vertex.z * _InvWaveLength);float4 vertex = v.vertex + offset;data.pos = UnityObjectToClipPos(vertex);data.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;//让主纹理也动data.uv += float2(0, _Time.y * _Speed);return data;}fixed4 frag(v2f f) : SV_TARGET{//float2 uv = frac(f.uv + float2(0, _Time.y * _Speed));fixed4 mainColor = tex2D(_MainTex, f.uv) * _Color;return mainColor;}ENDCG}}
}

6.广告牌效果

6.1.概念

是一种图形技术，用于确保对象始终面对摄像机，同时在某些轴上保持固定的方向（一般分为全向广告牌和轴对齐广告牌）

全向广告牌：任何视角下，对象在所有轴上始终面向摄像机

轴对齐广告牌：对象在一个轴上保持固定方向，而在其他轴上面向摄像机。其中垂直广告牌尤为特殊，他在水平面（XZ）平面上旋转，但在垂直方向上始终保持不变

6.2.基本原理

核心是旋转模型空间坐标系让其始终面向摄像机，故而需要构建一个基于模型空间的新坐标系。改坐标系有两个关键因素构成：

1.原点：基于模型空间的，可以自定义，但一般还是用000

2.三个轴向（x轴，y轴，z轴）：通常情况下这仨由右方向，垂直向上方向，视角方向构成。

轴的计算：获得视角向量（新z轴）后，将其与旧y轴（垂直向上的轴，(0， 1， 0)）叉乘得到右方向轴（即新x轴），然后将视角方向与右方向叉乘得到新y轴。

最后，新顶点的位置如下：

偏移位置 = 顶点坐标 - Center

新顶点位置 = Center + X轴 * 偏移位置.x + Y轴 * 偏移位置.y + Z轴 * 偏移位置.z

垂直广告牌只需要在计算视角方向（新x轴）的时候，让该轴的y分量为0即可

Shader "Models_4/BillboardEffect"
{Properties{_MainTex("MainTex", 2D) = ""{}_Color("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)_VerticalAmount("VerticalAmount", Range(0, 1)) = 0}SubShader{Tags { "Queue" = "Transparent" "RenderType" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "DisableBatching" = "True" }Pass{Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }ZWrite OffBlend SrcAlpha OneMinusSrcAlphaCull OffCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_fwdbase#include "UnityCG.cginc"sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float4 _Color;float _VerticalAmount;struct v2f{float4 pos : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;};v2f vert(appdata_full v){v2f data;float3 center = float3(0, 0, 0);float3 cameraInObjectPos = mul(unity_WorldToObject, float4(_WorldSpaceCameraPos, 1)); //zfloat3 normalDir = cameraInObjectPos - center;//全向或是垂直normalDir.y *= _VerticalAmount;normalDir = normalize(normalDir);float3 oldUpDir = normalDir.y > 0.999 ? float3(0, 0, 1) : float3(0, 1, 0);//float3 oldUpDir = float3(0, 1, 0);//x//xfloat3 rightDir = normalize(cross(oldUpDir, normalDir));//yfloat3 newUpDir = normalize(cross(normalDir, rightDir));float3 centerOffset = v.vertex.xyz - center;float3 newVertex = center + rightDir * centerOffset.x + newUpDir * centerOffset.y + normalDir * centerOffset.z;data.pos = UnityObjectToClipPos(newVertex);data.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;return data;}fixed4 frag(v2f f) : SV_TARGET{fixed4 mainColor = tex2D(_MainTex, f.uv) * _Color;return mainColor;}ENDCG}}
}

7.顶点动画注意事项

7.1.批处理

7.1.1.为什么批处理会影响顶点动画

unity中默认有静态批处理和动态批处理，而批处理的主要作用是合并多个对象，将它们作为一个DrawCall来处理。之所以批处理会对顶点动画带来影响，是因为不同的对象拥有不同的变换矩阵（平移，旋转，缩放）。而进行批处理之后，它们的变换矩阵将会进行统一处理，进而令其失去独立性。

举例子就是两个魔尺（颜色一样），分开各拼各的时候，你能分辨出它们各自的顶点（就当是每个三角衔接处），而如果把这俩魔尺合一块拼起来，那么某一个点究竟是哪把魔尺的就无法辨别了。

7.1.2.关闭批处理的问题

DrawCall的提升，进而导致性能的问题，而如果因为关闭批处理带来了性能问题，并且必须优化带有定点动画的Shader，该如何解决呢

7.1.3.如何解决问题

提前将独立的模型顶点存储起来：

1.通过c#代码存储到网格的颜色属性中：在Shader中通过颜色属性获取顶点信息。我们可以在appdata_full中点出color成员来使用这些顶点

    private void SaveToMeshColor(){MeshFilter meshFilter = GetComponent<MeshFilter>();if (meshFilter != null){Mesh mesh = meshFilter.mesh;Vector3[] vertices = mesh.vertices;Color[] colors = new Color[vertices.Length];for (int i = 0; i < vertices.Length; i++){colors[i] = new Color(vertices[i].x, vertices[i].y, vertices[i].z, 1);}mesh.colors = colors;}}

2.通过c#代码存到uv中：与存储到color类似，但是一般只在存储两个值的时候使用。

7.2.阴影

7.2.1.问题的产生

顶点动画通过Fallback所产生的阴影是根据没有变形过的顶点来的，所以对于2d河流这种，直接使用Fallback产生的阴影会跟实际不符

7.2.2.解决

自己实现阴影，并在该Pass中及逆行顶点偏移的计算即可。无需进行裁剪空间坐标变换以及uv相关计算

        Pass{Tags { "LightMode" = "ShadowCaster" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_shadowcaster#include "UnityCG.cginc"float _WaveAmplitude;float _WaveFrequency;float _InvWaveLength;struct v2f{V2F_SHADOW_CASTER;};v2f vert(appdata_full v){v2f data;float4 offset = float4(0, 0, 0, 0);offset.x = _WaveAmplitude * sin(_WaveFrequency * _Time.y + v.vertex.z * _InvWaveLength);v.vertex += offset;//这个会自动调用v的数据TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(data);return data;}fixed4 frag(v2f f) : SV_TARGET{SHADOW_CASTER_FRAGMENT(f);return fixed4(1, 1, 1, 1);}ENDCG}