Chapter11让画面动起来——Shader入门精要学习笔记

一、Unity Shader中的内置变量（时间篇）

Unity Shader 提供了一系列时间变量来允许我们方便地在Shader中访问运行时间

二、纹理动画

1.序列帧动画

• 原理：依次播放关键帧图像，形成连续动画

 Properties{_Color ("Color Tint", Color) = (1,1,1,1)_MainTex ("Image Sequence", 2D) = "white"{}_HorizontalAmount ("Horizontal Amount", Float) = 4_VerticalAmount ("Vertical Amount", Float) = 4_Speed ("Speed", Range(1,100)) = 3}

• _MainTex 就是包含了所有关键帧图像的纹理
• _HorizontalAmount 和 _VerticalAmount 分别代表了该图像在水平方向和竖直方向包含的关键帧图像的个数
• _Speed 用于控制序列帧动画的播放速度

SubShader
{Tags {"Queue" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "Transparent"}Pass {Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}Zwrite OffBlend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

• 序列帧通常是透明纹理，可以被当成一个半透明对象

v2f vert(a2v v)
{v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);return o;
}

• 把顶点纹理坐标存储到了v2f中

            fixed4 frag(v2f i):SV_Target {float time = floor(_Time.y * _Speed);float row = floor(time / _HorizontalAmount);float column = time - row * _HorizontalAmount;//				half2 uv = float2(i.uv.x /_HorizontalAmount, i.uv.y / _VerticalAmount);
//				uv.x += column / _HorizontalAmount;
//				uv.y -= row / _VerticalAmount;half2 uv = i.uv + half2(column, -row);uv.x /= _HorizontalAmount;uv.y /= _VerticalAmount;fixed4 c = tex2D(_MainTex, uv);c.rgb *= _Color;return c;}

• 前三行计算了行列数
  • _Time.y * _Speed 相乘得到模拟的时间，floor函数用来对结果取整
  • time / _HorizontalAmount 商作为当前对应的行索引，余数是列索引
• 使用行列索引值来构建真正的采样坐标 （注释的）
  • 我们可以首先把原纹理坐标 i.uv 按行数和列数进行等分， 得到每个子图像的纹理坐标范围
  • 使用当前的行列数对上面的结果进行偏移，得到当前子图像的纹理坐标范围
  • 竖直方向坐标偏移需要使用减法，因为Unity纹理坐标竖直方向顺序是从上到下，序列帧的图像是从下到上的，相反的
• 将原纹理坐标 i.uv 加上一个向量 (column, -row)，然后分别除以水平方向和竖直方向关键帧数量，得到当前子图像的纹理坐标范围。这种方法更加通用，即使关键帧图像大小不同也可以使用。

2.滚动背景

Properties
{_MainTex ("Base Layer (RGB)", 2D) = "white" {}_DetailTex ("2nd Layer (RGB)", 2D) = "white" {}_ScrollX ("Base layer Scroll Speed", Float) = 1.0_Scroll2X ("2nd layer Scroll Speed", Float) = 1.0_Multiplier ("Layer Multiplier", Float) = 1
}

• _MainTex 表示第一层（较远），_DetailTex 表示第二层（较近）
• _ScrollX 和 _Scroll2X 对应了各自的水平滚动速度
• _Multiplier 控制整体亮度

v2f vert (a2v v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex) + frac(float2(_ScrollX, 0.0) * _Time.y);o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _DetailTex) + frac(float2(_Scroll2X, 0.0) * _Time.y);return o;
}

• 最基本的顶点变换，把顶点变换到裁剪空间
• 首先利用 TRANSFORM_TEX() 得到初始纹理坐标，再使用内置的_Time.y 变量在水平方向上对纹理坐标进行偏移
• 把两张纹理存在一个uv中

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {fixed4 firstLayer = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);fixed4 secondLayer = tex2D(_DetailTex, i.uv.zw);fixed4 c = lerp(firstLayer, secondLayer, secondLayer.a);c.rgb *= _Multiplier;return c;
}

• 使用 i.uv.xy 和 i.uv.zw 对两张背景纹理进行采样

• 使用第二层纹理的透明通道来混合两张纹理

• 远处的背景应该移动的比近处的慢

三、顶点动画

1.流动的河流

• 原理就是使用正弦函数来模拟水流波动效果

Properties {_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)_Magnitude ("Distortion Magnitude", Float) = 1_Frequency ("Distortion Frequency", Float) = 1_InvWaveLength ("Distortion Inverse Wave Length", Float) = 10_Speed ("Speed", Float) = 0.5
}

• _MainTex 是河流纹理， _Color 控制整体颜色，_Magnitude 控制水波流动的幅度，_Frequency 控制波动频率，_InvWaveLength 控制波长的倒数，_Speed 控制速度

SubShader {// Need to disable batching because of the vertex animationTags {"Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent" "DisableBatching"="True"}

• “DisableBatching”=“True” 通过该标签来直接指明是否对该SubShader使用批处理（需要特殊处理的Shader就包含了模型空间的顶点动画），批处理会合并所有相关模型，而这些模型各自的模型空间就会丢失，在本例中，需要在物体模型空间下对顶点进行位置偏移，因此需要取消批处理操作

v2f vert(a2v v) {v2f o;float4 offset;offset.yzw = float3(0.0, 0.0, 0.0);offset.x = sin(_Frequency * _Time.y + v.vertex.x * _InvWaveLength + v.vertex.y * _InvWaveLength + v.vertex.z * _InvWaveLength) * _Magnitude;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex + offset);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);o.uv +=  float2(0.0, _Time.y * _Speed);return o;
}

• 先计算顶点位移量，我们只希望顶点x方向进行位移，所以yzw都被设置为0
• 利用_Frequency 属性和内置的 _Time.y 来控制正弦函数的频率
• 为了让不同位置有不同的位移，我们对上述结果加上了模型空间下的位置分量，并×_InvWaveLength 来控制波长
• 最后×_Magnitude 控制波动幅度，得到最终位移
• 然后把位移量添加到顶点上，再进行顶点变换即可

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {fixed4 c = tex2D(_MainTex, i.uv);c.rgb *= _Color.rgb;return c;
} 

• 直接对纹理进行采样再添加颜色即可

2.广告牌

• 广告牌技术：会根据视角方向来旋转一个被纹理着色的多边形，使得好像总是面对着相机
• 本质就是构建旋转矩阵
• 一个变换矩阵需要3个基向量，广告牌技术使用的通常是 表面法线、指向上的方向、指向右的方向，除此之外，还需要指定一个 锚点（在旋转过程中固定不变的，以此来确认多边形在空间中的位置）
• 计算基向量（相互正交的）：
  • 法线方向： 通常为视角方向或固定方向
  • 指向上的方向： 通常为 (0, 1, 0) 或固定方向
  • 指向右的方向： 通过法线方向和指向上的方向计算得到 $right=up\times normal$ 叉积
  • 对 $right$ 归一化后，再由法线方向和指向右的方向计算出正交的指向上的方向 $u{p}^{\prime }=noraml\times right$
    

	Properties {_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)_VerticalBillboarding ("Vertical Restraints", Range(0, 1)) = 1 }

• _MainTex 是广告牌的透明纹理，_Color 控制整体颜色，_VerticalBillboarding 调整是固定法线还是固定指向上的方向（0是向上，1是法线）

SubShader {// Need to disable batching because of the vertex animationTags {"Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent" "DisableBatching"="True"}

• 在广告牌技术中，我们需要使用物体模型空间下的位置来作为模电进行计算，所以要取消批处理

v2f vert (a2v v) {v2f o;// Suppose the center in object space is fixedfloat3 center = float3(0, 0, 0);float3 viewer = mul(unity_WorldToObject,float4(_WorldSpaceCameraPos, 1));float3 normalDir = viewer - center;// If _VerticalBillboarding equals 1, we use the desired view dir as the normal dir// Which means the normal dir is fixed// Or if _VerticalBillboarding equals 0, the y of normal is 0// Which means the up dir is fixednormalDir.y =normalDir.y * _VerticalBillboarding;normalDir = normalize(normalDir);// Get the approximate up dir// If normal dir is already towards up, then the up dir is towards frontfloat3 upDir = abs(normalDir.y) > 0.999 ? float3(0, 0, 1) : float3(0, 1, 0);float3 rightDir = normalize(cross(upDir, normalDir));upDir = normalize(cross(normalDir, rightDir));// Use the three vectors to rotate the quadfloat3 centerOffs = v.vertex.xyz - center;float3 localPos = center + rightDir * centerOffs.x + upDir * centerOffs.y + normalDir * centerOffs.z;o.pos = UnityObjectToClipPos(float4(localPos, 1));o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_MainTex);return o;
}

• 所有的计算都是在模型空间下计算的 （下面解释顶点着色器内容）
• 首先选择模型空间的原点作为广告牌的锚点，利用内置变量 mul(unity_WorldToObject,float4(_WorldSpaceCameraPos, 1)) 获取模型空间下的视角位置
• 然后开始计算三个正交基

float3 normalDir = viewer - center;// If _VerticalBillboarding equals 1, we use the desired view dir as the normal dir// Which means the normal dir is fixed// Or if _VerticalBillboarding equals 0, the y of normal is 0// Which means the up dir is fixednormalDir.y =normalDir.y * _VerticalBillboarding;normalDir = normalize(normalDir);

• 根据观察位置和锚点计算目标法线方向，并使用_VerticalBillboarding 来控制垂直方向上的约束度
• 1时法线方向固定为视角方向，0时向上方向固定为(0,1,0)

float3 upDir = abs(normalDir.y) > 0.999 ? float3(0, 0, 1) : float3(0, 1, 0);

• 接着粗略地得到向上方向，为了放置法线方向和向上方向平行，对法线方向的y分量进行判断

float3 rightDir = normalize(cross(upDir, normalDir));

• 然后得到了向右方向，并进行归一化

upDir = normalize(cross(normalDir, rightDir));

• 在根据准确的法线方向和向右方向得到最后向上方向

// Use the three vectors to rotate the quadfloat3 centerOffs = v.vertex.xyz - center;float3 localPos = center + rightDir * centerOffs.x + upDir * centerOffs.y + normalDir * centerOffs.z;

• 根据三个正交基矢量和原始位置相对于锚点的偏移量，计算得到新顶点的位置

o.pos = UnityObjectToClipPos(float4(localPos, 1));o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_MainTex);

• 最后把模型空间的顶点位置变换到裁剪空间
• 片元着色器只需要对纹理进行采样，再与颜色相乘即可

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {fixed4 c = tex2D (_MainTex, i.uv);c.rgb *= _Color.rgb;return c;
}

3.注意事项

①批处理问题

• 因为批处理会 合并模型，导致模型空间丢失，而顶点动画又需要依赖模型空间的位置进行计算
  • 合并模型：将所有使用同一 Shader 的材质的模型合并成一个批次进行渲染，每个模型都被转换到了一个统一的坐标系中
• 解决方法
  • 禁用批处理：通过在 SubShader 标签中 使用 “DisableBatching” 标签，可以强制禁用对该 Shader 的批处理，从而避免动画效果被破坏，但这样做会降低性能，因为会增加 Draw Call
  • 使用相对位置和方向：尽量避免使用模型空间下的绝对位置和方向进行计算，例如，使用顶点颜色存储每个顶点到锚点的距离，而不是直接使用模型空间的中心作为锚点
    • 为模型的每个顶点设置一个顶点颜色值，该颜色值表示该顶点到模型中心点的距离，以将颜色值的 R 分量设置为距离值，G、B 分量设置为 0
    • 读取每个顶点的顶点颜色值，并从中提取出距离值

②阴影投射问题

• 内置的 ShadowCaster Pass 无法处理顶点动画： Unity 的内置阴影投射 Pass 没有进行顶点动画的处理，因此会导致阴影与物体的实际位置不匹配
• 解决方法：自定义ShadowCaster Pass （见书）