Unity

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。

郭浩瑜，社区的技术分享者，Unity资深开发者，在游戏开发、Unity3D、特效开发上具有很高技术水平。

1.一本专一介绍底层渲染的图书 。对着色器的概念、渲染流水线以及图形存储器的解释，扩展了在阴影批处理和渲染优化方面的内容。同时，针对不好理解的体积阴影和体积光，改成了在世界坐标空间内实现的程序。
2.针对Unity 5.x全新改版，删减了一些第2版中难懂且没有实际意义的内容。
3.书中的彩图文件和工程文件全部提供给读者免费下载。

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