简介
写了两篇简单光照模型的shader的文章,虽然Unity自带的shader就有diffuse和specular,效果还比自己写的好,然而要想学好shader,基础还是很重要的。不然到网上到处找shader,扔到项目里,能用就好,完全不看性能的话,迟早会出事的。今天不看光照模型了,物理渲染还没搞懂,所以只好先来个简单的shader玩一玩。正好最近在和某基友玩黑魂,这货一出来总是自带一个特效-边缘光。于是本人强迫症发作,决定研究一下这个怎么实现。
RimLight--边缘发光效果,是一个比较常用的效果,实现简单,在普通的光照计算后只需要两步操作,就可以实现边缘光效果。看下面一幅图,简单介绍一下RimLight的原理:
通过法线方向和视线方向的夹角来判断。当视线方向V与法线方向N垂直时,这个法线对应的面就与视线方向平行,说明当前这个点对于当前视角来说,就处在边缘;而视线方向与法线方向一致时,这个法线对应的面就垂直于视线方向,说明当前是直视这个面。所以,我们就可以根据dot(N,V)来获得视线方向与法线方向的余弦值,通过这个值来区分该像素是否处在边缘,进而判断是否需要增加以及增加边缘光的强弱。
边缘光效果Unity下的实现
上面已经说完了边缘光效果的实现原理,下面附上完整的边缘光效果shader,基于之前介绍过的 兰伯特光照模型,增加了边缘光效果:
[csharp] view plain copy
1. //边缘发光Shader
2. //by:puppet_master
3. //2016.12.11
4.
5. Shader "ApcShader/RimLight"
6. {
7. //属性
8. Properties{
9. "Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
10. "RimColor", Color) = (1,1,1,1)
11. "RimPower", Range(0.000001, 3.0)) = 0.1
12. "Base 2D", 2D) = "white"{}
13. }
14.
15. //子着色器
16. SubShader
17. {
18. Pass
19. {
20. //定义Tags
21. "RenderType" = "Opaque" }
22.
23. CGPROGRAM
24. //引入头文件
25. #include "Lighting.cginc"
26. //定义Properties中的变量
27. fixed4 _Diffuse;
28. sampler2D _MainTex;
29. //使用了TRANSFROM_TEX宏就需要定义XXX_ST
30. float4 _MainTex_ST;
31. fixed4 _RimColor;
32. float _RimPower;
33.
34. //定义结构体:vertex shader阶段输出的内容
35. struct v2f
36. {
37. float4 pos : SV_POSITION;
38. float3 worldNormal : TEXCOORD0;
39. float2 uv : TEXCOORD1;
40. //在vertex shader中计算观察方向传递给fragment shader
41. float3 worldViewDir : TEXCOORD2;
42. };
43.
44. //定义顶点shader,参数直接使用appdata_base(包含position, noramal, texcoord)
45. v2f vert(appdata_base v)
46. {
47. v2f o;
48. o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
49. //通过TRANSFORM_TEX宏转化纹理坐标,主要处理了Offset和Tiling的改变,默认时等同于o.uv = v.texcoord.xy;
50. o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
51. o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);
52. //顶点转化到世界空间
53. float3 worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
54. //可以把计算计算ViewDir的操作放在vertex shader阶段,毕竟逐顶点计算比较省
55. o.worldViewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - worldPos;
56. return o;
57. }
58.
59. //定义片元shader
60. fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
61. {
62. //unity自身的diffuse也是带了环境光,这里我们也增加一下环境光
63. fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.xyz;
64. //归一化法线,即使在vert归一化也不行,从vert到frag阶段有差值处理,传入的法线方向并不是vertex shader直接传出的
65. fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
66. //把光照方向归一化
67. fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
68. //根据半兰伯特模型计算像素的光照信息
69. fixed3 lambert = 0.5 * dot(worldNormal, worldLightDir) + 0.5;
70. //最终输出颜色为lambert光强*材质diffuse颜色*光颜色
71. fixed3 diffuse = lambert * _Diffuse.xyz * _LightColor0.xyz + ambient;
72. //进行纹理采样
73. fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
74.
75. //以下为本篇主题:计算RimLight
76. //把视线方向归一化
77. float3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);
78. //计算视线方向与法线方向的夹角,夹角越大,dot值越接近0,说明视线方向越偏离该点,也就是平视,该点越接近边缘
79. float rim = 1 - max(0, dot(worldViewDir, worldNormal));
80. //计算rimLight
81. fixed3 rimColor = _RimColor * pow(rim, 1 / _RimPower);
82. //输出颜色+边缘光颜色
83. color.rgb = color.rgb* diffuse + rimColor;
84.
85. return fixed4(color);
86. }
87.
88. //使用vert函数和frag函数
89. #pragma vertex vert
90. #pragma fragment frag
91.
92. ENDCG
93. }
94. }
95. //前面的Shader失效的话,使用默认的Diffuse
96. "Diffuse"
97. }
白色边缘光效果:
黄色边缘光效果:
增加 景深效果和 Bloom效果,Bloom可以把亮的部分处理得更亮,有一种光线溢出的效果,而景深效果可以突出我们要表现的重点。唉,最近发现自己身陷后处理不能自拔啊....
通过Mask图控制边缘光
我们把边缘光效果加大到一定程度,就快成了自发光效果,但是上面的shader有个问题,就是全身都会自发光。如下图所示:
如果只希望盔甲部分有自发光效果,而其他部分没有自发光,我们就需要用Mask图来控制了,我们用一张Alpha8的灰度图来控制是否开启边缘光效果,将上面的shader简单修改一下,增加Mask图的通道:
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1. //边缘发光Shader
2. //by:puppet_master
3. //2016.12.11
4.
5. Shader "ApcShader/RimLight"
6. {
7. //属性
8. Properties{
9. "Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
10. "RimColor", Color) = (1,1,1,1)
11. "RimPower", Range(0.000001, 20.0)) = 0.1
12. "RimMask", 2D) = "white"{}
13. "Base 2D", 2D) = "white"{}
14. }
15.
16. //子着色器
17. SubShader
18. {
19. Pass
20. {
21. //定义Tags
22. "RenderType" = "Opaque" }
23.
24. CGPROGRAM
25. //引入头文件
26. #include "Lighting.cginc"
27. //定义Properties中的变量
28. fixed4 _Diffuse;
29. sampler2D _MainTex;
30. //使用了TRANSFROM_TEX宏就需要定义XXX_ST
31. float4 _MainTex_ST;
32. sampler2D _RimMask;
33. fixed4 _RimColor;
34. float _RimPower;
35.
36. //定义结构体:vertex shader阶段输出的内容
37. struct v2f
38. {
39. float4 pos : SV_POSITION;
40. float3 worldNormal : TEXCOORD0;
41. float2 uv : TEXCOORD1;
42. //在vertex shader中计算观察方向传递给fragment shader
43. float3 worldViewDir : TEXCOORD2;
44. };
45.
46. //定义顶点shader,参数直接使用appdata_base(包含position, noramal, texcoord)
47. v2f vert(appdata_base v)
48. {
49. v2f o;
50. o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
51. //通过TRANSFORM_TEX宏转化纹理坐标,主要处理了Offset和Tiling的改变,默认时等同于o.uv = v.texcoord.xy;
52. o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
53. o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);
54. //顶点转化到世界空间
55. float3 worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
56. //可以把计算计算ViewDir的操作放在vertex shader阶段,毕竟逐顶点计算比较省
57. o.worldViewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - worldPos;
58. return o;
59. }
60.
61. //定义片元shader
62. fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
63. {
64. //unity自身的diffuse也是带了环境光,这里我们也增加一下环境光
65. fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.xyz;
66. //归一化法线,即使在vert归一化也不行,从vert到frag阶段有差值处理,传入的法线方向并不是vertex shader直接传出的
67. fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
68. //把光照方向归一化
69. fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
70. //根据半兰伯特模型计算像素的光照信息
71. fixed3 lambert = 0.5 * dot(worldNormal, worldLightDir) + 0.5;
72. //最终输出颜色为lambert光强*材质diffuse颜色*光颜色
73. fixed3 diffuse = lambert * _Diffuse.xyz * _LightColor0.xyz + ambient;
74. //进行纹理采样
75. fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
76.
77. //以下为本篇主题:计算RimLight
78. //把视线方向归一化
79. float3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);
80. //计算视线方向与法线方向的夹角,夹角越大,dot值越接近0,说明视线方向越偏离该点,也就是平视,该点越接近边缘
81. float rim = 1 - max(0, dot(worldViewDir, worldNormal));
82. //计算RimLight
83. fixed3 rimColor = _RimColor * pow(rim, 1 / _RimPower);
84. //通过RimMask控制是否有边缘光,Rim目前存在一张Alpha8类型的图片中
85. fixed rimMask = tex2D(_RimMask, i.uv).a;
86. //输出颜色+边缘光颜色
87. color.rgb = color.rgb* diffuse + rimColor * (1 - rimMask);
88.
89. return fixed4(color);
90. }
91.
92. //使用vert函数和frag函数
93. #pragma vertex vert
94. #pragma fragment frag
95.
96. ENDCG
97. }
98. }
99. //前面的Shader失效的话,使用默认的Diffuse
100. "Diffuse"
101. }
通过采样这张Mask就能控制那部分开启自发光,那部分关闭自发光了:
调整Mask图,也可以得到一些比较好玩的效果:
动态RimLight效果
看了一篇博文,其中的边缘光使用了一张动态图,达到了流动的效果,感谢 作者的无私分享,于是我也尝试一下动态RimLight的效果。其实思路跟上面的Mask图一样,只不过这次改成一张扫面线类型的纹理,然后通过这张纹理的采样滚动,达到动态的效果。一提到动态效果,我们第一个想到的应该就是_Time向量,这个向量中几个值都是跟时间相关的,我们如果做动态效果,肯定少不了和这个变量打交道,关于_Time及其变种,可以参考 这篇文章,我们这里用_Time.y就可以获得时间了。
我们用一张Mask纹理,白色代表有边缘光,黑色无边缘光,通过采样这张Mask纹理,控制模型上显示边缘光的部分:
动态RimLight的shader如下:
[csharp] view plain copy
1. //边缘发光Shader
2. //by:puppet_master
3. //2016.12.11
4.
5. Shader "ApcShader/RimLight"
6. {
7. //属性
8. Properties{
9. "Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
10. "RimColor", Color) = (1,1,1,1)
11. "RimPower", Range(0.000001, 20.0)) = 0.1
12. "RimMask", 2D) = "white"{}
13. "Base 2D", 2D) = "white"{}
14. "RimSpeed", Range(-10, 10)) = 1.0
15. }
16.
17. //子着色器
18. SubShader
19. {
20. Pass
21. {
22. //定义Tags
23. "RenderType" = "Opaque" }
24.
25. CGPROGRAM
26. //引入头文件
27. #include "Lighting.cginc"
28. //定义Properties中的变量
29. fixed4 _Diffuse;
30. sampler2D _MainTex;
31. //使用了TRANSFROM_TEX宏就需要定义XXX_ST
32. float4 _MainTex_ST;
33. sampler2D _RimMask;
34. fixed4 _RimColor;
35. float _RimPower;
36. float _RimSpeed;
37.
38. //定义结构体:vertex shader阶段输出的内容
39. struct v2f
40. {
41. float4 pos : SV_POSITION;
42. float3 worldNormal : TEXCOORD0;
43. float2 uv : TEXCOORD1;
44. //在vertex shader中计算观察方向传递给fragment shader
45. float3 worldViewDir : TEXCOORD2;
46. };
47.
48. //定义顶点shader,参数直接使用appdata_base(包含position, noramal, texcoord)
49. v2f vert(appdata_base v)
50. {
51. v2f o;
52. o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
53. //通过TRANSFORM_TEX宏转化纹理坐标,主要处理了Offset和Tiling的改变,默认时等同于o.uv = v.texcoord.xy;
54. o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
55. o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);
56. //顶点转化到世界空间
57. float3 worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
58. //可以把计算计算ViewDir的操作放在vertex shader阶段,毕竟逐顶点计算比较省
59. o.worldViewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - worldPos;
60. return o;
61. }
62.
63. //定义片元shader
64. fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
65. {
66. //unity自身的diffuse也是带了环境光,这里我们也增加一下环境光
67. fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.xyz;
68. //归一化法线,即使在vert归一化也不行,从vert到frag阶段有差值处理,传入的法线方向并不是vertex shader直接传出的
69. fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
70. //把光照方向归一化
71. fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
72. //根据半兰伯特模型计算像素的光照信息
73. fixed3 lambert = 0.5 * dot(worldNormal, worldLightDir) + 0.5;
74. //最终输出颜色为lambert光强*材质diffuse颜色*光颜色
75. fixed3 diffuse = lambert * _Diffuse.xyz * _LightColor0.xyz + ambient;
76. //进行纹理采样
77. fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
78.
79. //以下为本篇主题:计算RimLight
80. //把视线方向归一化
81. float3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);
82. //计算视线方向与法线方向的夹角,夹角越大,dot值越接近0,说明视线方向越偏离该点,也就是平视,该点越接近边缘
83. float rim = 1 - max(0, dot(worldViewDir, worldNormal));
84. //计算RimLight
85. fixed3 rimColor = _RimColor * pow(rim, 1 / _RimPower);
86. //通过RimMask控制是否有边缘光,Rim目前存在一张Alpha8类型的图片中
87. fixed rimMask = tex2D(_RimMask, i.uv + float2(0 , _Time.y * _RimSpeed)).r;
88. //输出颜色+边缘光颜色
89. color.rgb = color.rgb* diffuse + rimColor * (1-rimMask);
90.
91. return fixed4(color);
92. }
93.
94. //使用vert函数和frag函数
95. #pragma vertex vert
96. #pragma fragment frag
97.
98. ENDCG
99. }
100. }
101. //前面的Shader失效的话,使用默认的Diffuse
102. "Diffuse"
103. }
Unity Shader中可用的变量类型整理
在传递参数时总是忘了能传递哪些类型的参数,记录一下,方便以后查找,这种东西也没必要死记硬背下来,需要的时候几秒钟之内能找到就好了。
[csharp] view plain copy
1. //Float类型,下面对应变量可以用flaot,half,fixed
2. _Name("Inspector Name", Float) = defaultValue
3. //Float类型,可以用一个滑动条控制范围,下面对应变量可以用float,half,fixed
4. _Name("Inspector Name", Range(min, max)) = defaultValue
5. //颜色类型,下面对应变量可以用float4,half4,fixed4,如果是颜色,尽量fixed4
6. _Name("Inspector Name", Color) = (defaultValue.r, defaultValue.g, defaultValue.b, defaultValue.a)
7. //2D纹理类型,默认纹理可以为空,白,黑,灰,凹凸,下面对应变量sampler2D
8. _Name("Inspector Name", 2D) = "" / "white" / "black" / "gray" / "bump"{options}
9. //长方形纹理,非2次方大小的纹理,其同上
10. _Name("Inspector Name", Rect) = "" / "white" / "black" / "gray" / "bump"{options}
11. //立方体贴图CubeMap
12. _Name("Inspector Name", Cube) = "" {options}
13. //传递一个Vector4向量
14. _Name("Inspector Name", Vector) = (defaultValue.x, defaultValue.y, defaultValue.z, defaultValue.w)
15.
16. //注:上面纹理后面{}里面是一些纹理TexGen,LightmapMode光照模式等内容