Unity shader内置standard代码解析

最近有相关需求制作，所以这里编写一个文档，方便后续的流程查看。

下载源码

由于unity内置的shader是无法查看源码的，你需要去官网下载对应版本内置源码查看

在引擎下载那里，会有一个Built in Shaders，下载

打开以后，就是对应的shader

内置的shandard在DefaultResourcesExtra目录内，打开便是。

shader解析

Standard里面分了两套，一套正常的，一套精简版的，

这两套渲染的切换是通过设置shader的lod进行切换的。
每个shader下面由5个pass组成（简化版的不支持延迟渲染）

1. 前向渲染主光源
2. 前向渲染副光源
3. 阴影渲染
4. 延迟渲染
5. 烘焙
   

简化版本的渲染也不支持视差偏移，它们是通过宏去控制的，更多不同在渲染代码内部。

ForwardBase 和ForwardAdd引用的一套渲染逻辑，然后通过定义的宏和调用不同的顶点/片元着色器函数来区分到底是base还是add。

base的是这样

add是这样

它们都引用的UnityStandardCoreForward渲染逻辑

在这个文件里面，是一些主要函数的定义，区分是否为简化的shader，如果简化的shader，则引入简化的库文件，非简化，则引入了UnityStandardCore.cginc，在这里定义了pass里面调用的顶点着色器和片元着色器函数，函数内直接调用了对应的UnityStandardCore库里的函数，这里也是standard的核心代码。

上面还引入了UnityStandardConfig.cginc，这个文件则是一些配置，主要定义的宏，抽几个比较重要的
下面定义了立体图贴图的曝光度以及lod层级数

定义brdf GGX

UnityStandardCore.cginc

里面代码的一些库的引用，核心库也是基于这些库实现的最终渲染

ForwardBase渲染主要就是调用了

VertexOutputForwardBase vertBase (VertexInput v) { return vertForwardBase(v); }
half4 fragBase (VertexOutputForwardBase i) : SV_Target { return fragForwardBaseInternal(i); }

VertexInput 就是在UnityStandardInput.cginc内实现的需要传入到顶点着色器的数据
VertexOutputForwardBase 则是从顶点传入到片元的数据

vertForwardBase 函数里对位置，UV，法向等做了一些处理，更复杂的还有lightmap的UV，还有视差偏移

重点函数，片元着色器fragForwardBaseInternal，有点代码越少越狠的节奏，后面我将一个个的函数解析

UNITY_APPLY_DITHER_CROSSFADE(i.pos.xy)

这个是为了实现淡入淡出的效果

unity_DitherMask 为unity内置生成的抖动noise贴图
unity_LODFade 为需要设置的变量，在UnityShaderVariables.cginc里面定义

float4 unity_LODFade; // x is the fade value ranging within [0,1]. y is x quantized into 16 levels

FRAGMENT_SETUP(s)

这个函数主要是生成后续使用的数据FragmentCommonData，定义为FragmentSetup函数

#define FRAGMENT_SETUP(x) FragmentCommonData x = FragmentSetup(i.tex, i.eyeVec.xyz, IN_VIEWDIR4PARALLAX(i), i.tangentToWorldAndPackedData, IN_WORLDPOS(i));

i.tex 顶点着色器计算的uv
i.eyeVec.xyz 摄像机朝向
IN_VIEWDIR4PARALLAX(i) 摄像机朝向基于视差偏移的法向值
i.tangentToWorldAndPackedData 切线坐标系转世界坐标系矩阵 [3x3:tangentToWorld | 1x3:viewDirForParallax or worldPos]
IN_WORLDPOS(i) 渲染目标世界坐标位置

FragmentCommonData 则是返回从顶点着色器拿到的数据处理后的数据，后续获取通过s变量获取。oneMinusReflectivity 为1-反射率

然后就是函数FragmentSetup，设置数据，截图里面我也加了注释

这里主要讲的是UNITY_SETUP_BRDF_INPUT函数，它可以根据工作流去设置数据，有三种 SpecularSetup RoughnessSetup MetallicSetup分别对应 高光工作流 粗糙度工作里 金属度工作流，standard.shader里面定义了金属度工作流

如果没有定义的话，会切换高光工作流

由于我这里使用的是金属度工作流，这里讲解一些金属度工作流的相关内容，MetallicSetup函数，函数内有两个函数，第一个函数去获取贴图的值，第二个函数为计算漫反射颜色，镜面反射颜色和反射率

MetallicGloss内返回二维向量，x为金属度，y为光滑度，光滑度还可以选择是使用的_MetallicGlossMap的a通道还是_MainTex的a通道

DiffuseAndSpecularFromMetallic
unity_ColorSpaceDielectricSpec的值在线性空间中默认是 half4(0.04, 0.04, 0.04, 1.0 - 0.04)，这也是物理渲染中默认反射率

根据金属度求出反射率

MainLight

    UnityLight mainLight = MainLight(); //主光源UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, s.posWorld); //合并阴影

UnityLight 结构里面有三个值 color 光的颜色 dir 光的朝向 ndotl 法向和光的点乘值（已弃用），MainLight函数里面就是获取第一盏灯的颜色和朝向

UNITY_LIGHT_ATTENUATION 计算阴影遮挡。会根据光的类型调用不同的函数，一般主光源都是平衡光，这里看一下平衡光的实现，代码在AutoLight.cginc里面

在AutoLight.cginc中，对多种情况的处理，比如屏幕空间阴影，包含烘焙阴影

这里我们看最简单的使用SHADOW_ATTENUATION生成的unitySampleShadow函数，这个函数会去获取shadowmap的值来做处理

#define UNITY_SAMPLE_SCREEN_SHADOW(tex, uv) UNITY_SAMPLE_TEX2DARRAY(tex, float3((uv).x / (uv).w, (uv).y / (uv).w, (float)unity_StereoEyeIndex)).r

这一块解析起来确实麻烦，如果你需要阴影的话，记得直接使用UNITY_LIGHT_ATTENUATION函数。第一个值就是阴影的值。

FragmentGI

全局光照，包含了lightmap，sh球谐光照，ibl等对物体影响的内容

UnityGI gi = FragmentGI(s, occlusion, i.ambientOrLightmapUV, atten, mainLight); //全局光照

UnityGI包含全局光照有光的数据，以及间接光的漫反射和镜面反射颜色

FragmentGI 函数主要是设置一些所需要的值，然后调用UnityGlobalIllumination生成最终所需的UnityGI数据

UnityGlossyEnvironmentSetup 主要是求出了两个值 SmoothnessToPerceptualRoughness是通过光滑度求出粗糙度，也就是1-光滑度，reflUVW，根据眼睛和法向求出反射方向

准备好需要的全局光照计算数据以后，就要开始调用UnityGlobalIllumination计算了，分别去计算间接光漫反射，以及间接光镜面反射

在间接光漫反射里面，考虑光照贴图和动态光照贴图，这个我在之前我的文章里面说过，这里就不再多解释。

解析一下，上图比较重要的几行代码：

o_gi.light.color *= data.atten;
o_gi.indirect.diffuse = ShadeSHPerPixel(normalWorld, data.ambient, data.worldPos);
o_gi.indirect.diffuse *= occlusion;

ShadeSHPerPixel 计算间接光漫反射，相对于lightmap里面获取的，它具有动态性。球谐光照是由七个四维向量组成，

由引擎设置参数。unity还兼容的3d纹理方式的SHEvalLinearL0L1_SampleProbeVolume

计算完成间接光漫反射以后，就是计算间接光镜面反射，在unity里面是通过，实现原理就是通过立方体贴图去拾取颜色作为镜面反射的颜色

里面主要的方法就是Unity_GlossyEnvironment，这个去拾取引擎设置的立方体贴图，并获取颜色

perceptualRoughnessToMipmapLevel就是粗糙度乘以LOD级数UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS，粗糙度越低，表示越光滑，那么lod层级就越低，图片拾取的也最清晰。

最后，将全局光的灯光颜色，间接光漫反射，间接光镜面反射计算完成，交给物理渲染BRDF函数实现最后的颜色。

UNITY_BRDF_PBS

half4 c = UNITY_BRDF_PBS(s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.smoothness, s.normalWorld, -s.eyeVec, gi.light, gi.indirect); //基于物理的渲染

看代码，standard里面内置了三套方式，

1. BRDF1_Unity_PBS 是基于物理的BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数）
2. BRDF2_Unity_PBS 是基于极简的微表面理论的BRDF http://www.thetenthplanet.de/archives/255
3. BRDF3_Unity_PBS 是不是微表面的基于修正归一化的 Blinn-Phong BRDF
   
   这里，我只介绍质量最好的第一种BRDF1_Unity_PBS，看注释，也能了解到它的模型是如何计算的
   直接光漫反射 kD / pi
   直接光镜面反射 kS * (D * V * F) / 4
   最后乘以NdotL
   BRDF里面还有两种，一种是GGX的高光，另一种是老旧的BlinnPhong的
   
   首先函数获取到需要用的数据，粗糙度，半角向量halfDir，NdotV，NdotL，NdotH，LdotV，LdotH
   
   然后基于数据求直接光漫反射

    // Diffuse termhalf diffuseTerm = DisneyDiffuse(nv, nl, lh, perceptualRoughness) * nl;

求漫反射，还给注释迪士尼的漫反射必须除以PI，在函数外实现，貌似unity都亮了PI，所以不用除以PI了

然后解释了一下为什么不除以PI

接下来，先求出BRDF的D项和V项

然后在最后颜色合并的时候，求出菲涅尔项 F，怪不得之前听朋友说，unity的BRDF写的很难看，确实难看

最终计算出来了颜色加上自发光合并雾效，返回片元颜色