Unity 3D 内建着色器源码剖析

本书既是一本Unity 3D着色器代码分析教程，也是一本Unity 3D着色器编程参考手册。全书共12章，主要内容包括：实时3D渲染流水线，辐射度、光度和色度学基本理论，Unity 3D着色器系统，着色器工具函数，Unity 3D引擎的多例化技术，前向渲染和延迟渲染，Unity 3D的全局光照和阴影，UnityShadow Library.cginc文件分析，AutoLight.cginc文件分析，基于物理的光照模型，Unity 3D标准着色器和Standard. shader文件分析，片元着色器实时绘制图像实战案例。
本书适合Unity Shader的游戏开发者、程序员阅读，也可供相关专业人士参考。

熊新科，资深游戏开发工程师。2003年进入游戏行业，先后参与多项游戏的开发。乐于分享技术，活跃于各大Unity技术圈。

第 一本Unity源码分析的图书

联系辐射度学、光度学、色度学等物理理论，从物理学角度上阐述着色器所需要的基础知识

剖析内建着色器库中的若干工具库函数，阐述清楚原理，让读者深入理解，能在开发阶段中有效使用

剖析内建着色器库中的标准材质，以及若干常用的着色器程序的实现原理，让读者能深入学习到当前流行的渲染技术的实现原理，并融会贯通到实际开发工作中

目 录

第 1章 实时3D渲染流水线 1
1．1 概述 1
1．2 顶点处理阶段 2
1．2．1 顶点的组织方式 2
1．2．2 坐标系统和顶点法线的确定方式 3
1．2．3 把顶点从模型空间变换到世界空间 5
1．2．4 把顶点从世界空间变换到观察空间 9
1．2．5 把顶点从观察空间变换到裁剪空间 11
1．3 光栅化阶段 18
1．3．1 裁剪操作 18
1．3．2 透视除法 18
1．3．3 背面剔除操作 19
1．3．4 视口变换 21
1．3．5 扫描转换 22
1．4 片元处理与输出合并阶段 22
1．4．1 纹理操作 23
1．4．2 输出合并中的深度值操作 24
1．4．3 输出合并中的Alpha值操作 26
1．4．4 Unity 3D ShaderLab中的Alpha混合指令及深度测试指令 27
第 2章 辐射度、光度和色度学基本理论 30
2．1 辐射度学基本理论 30
2．1．1 立体角 32
2．1．2 点光源、辐射强度和辐射亮度 33
2．1．3 辐射出射度和辐射入射度 34
2．2 光度学基本理论 34
2．3 色度学基本理论 36
2．3．1 什么是颜色 36
2．3．2 颜色的数字化及CIE1931-RGB颜色模型 37
2．3．3 CIE1931-XYZ颜色模型 40
2．3．4 CIE1931-Yxy颜色模型 40
2．4 伽马校正和sRGB颜色空间 40
2．4．1 伽马校正 40
2．4．2 sRGB颜色空间 44
2．4．3 Unity 3D中的伽马空间和线性空间 45
第3章 Unity 3D着色器系统 47
3．1 从一个外观着色器程序谈起 47
3．1．1 BasicDiffuse着色器展开后的代码分析 49
3．1．2 外观着色器的编译指示符 56
3．1．3 传给外观着色器函数的参数 58
3．2 直接编写顶点着色器和片元着色器 59
3．2．1 用Cg语言编写的包含着色器功能的代码片段 59
3．2．2 声明目标渲染器 60
3．2．3 着色器的语义 61
3．3 在Cg代码中访问着色器属性块 66
3．3．1 在着色器代码中声明材质属性 66
3．3．2 在着色器代码中声明对应于材质属性的变量 67
3．4 使用着色器多样体处理多种情况 67
3．4．1 编译指示符multi_compile和shader_feature的使用方式与区别 67
3．4．2 多样体关键字的使用限制 68
3．4．3 内置的multi_compile指示符快捷使用方式 68
3．5 多平台着色器代码的支持 68
3．6 确定着色器编译器的版本 69
3．6．1 和着色器编译器版本相关的宏 69
3．6．2 消除着色器代码中各平台的语义差异性 70
3．6．3 关闭可忽视的编译警告 72
3．6．4 Unity 3D Shader的基本数据类型 72
3．6．5 消除平台差异性 73
3．6．6 统一着色器常量缓冲区的宏定义 75
3．6．7 HLSL语言中的分支预测特性 75
第4章 引擎提供的着色器工具函数和数据结构 78
4．1 UnityShaderVariables．cginc文件中的着色器常量和函数 78
4．1．1 进行变换操作用的矩阵 78
4．1．2 和摄像机相关的常量缓冲区 81
4．1．3 与光照相关的工具函数和内置光源 83
4．1．4 与阴影相关的着色器常量缓冲区 84
4．1．5 与逐帧绘制调用相关的着色器常量缓冲区 86
4．1．6 与雾效果相关的常量缓冲区 86
4．1．7 与光照贴图相关的常量缓冲区 87
4．2 UnityCG．cginc文件中的工具函数和宏 90
4．2．1 数学常数 90
4．2．2 与颜色空间相关的常数和工具函数 90
4．2．3 描述顶点布局格式的结构体 92
4．2．4 用于进行空间变换的工具函数 93
4．2．5 与光照计算相关的工具函数 97
4．2．6 与HDR及光照贴图颜色编解码相关的工具函数 102
4．2．7 把高精度数据编码到低精度缓冲区的函数 107
4．2．8 法线贴图及其编解码操作的函数 110
4．2．9 线性化深度值的工具函数 113
4．2．10 合并单程立体渲染时的左右眼图像到一张纹理的函数 115
4．2．11 用来实现图像效果的工具函数和预定义结构体 117
4．2．12 计算屏幕坐标的工具函数 118
4．2．13 与阴影处理相关的工具函数 121
4．2．14 与雾效果相关的工具函数和宏 123
第5章 Unity 3D引擎的多例化技术 128
5．1 多例化技术概述 128
5．1．1 不使用GPU多例化技术绘制多个相同模型的伪代码 128
5．1．2 在Direct3D 11中设置输入组装阶段的示例伪代码 128
5．1．3 设置顶点输入组装布局 129
5．1．4 顶点着色器和片元着色器中对使用GPU多例化技术的对应设置 129
5．2 如何在材质中启用多例化技术 130
5．3 添加逐实例数据 131
5．3．1 在外观着色器中给材质颜色变量增加GPU多例化支持的代码 131
5．3．2 在C#层改变game object中的多例化材质颜色属性 132
5．4 在顶点着色器和片元着色器中使用多例化技术 132
5．4．1 在顶点着色器和片元着色器中启用GPU多例化技术 132
5．4．2 UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID宏的定义 133
5．4．3 DEFAULT_UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID宏的定义 133
5．4．4 UNITY_INSTANCING_BUFFER_START及另外两个配套的宏的定义 134
5．4．5 UNITY_INSTANCED_ARRAY_SIZE宏的定义 135
5．4．6 UNITY_SETUP_INSTANCE_ID宏的定义 135
5．4．7 DEFAULT_UNITY_SETUP_INSTANCE_ID和UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID宏的定义 135
5．4．8 着色器常量缓冲区UnityDrawCallInfo的定义 136
5．4．9 5．4．1节中展开多例化相关的宏之后的代码 137
第6章 前向渲染和延迟渲染 139
6．1 前向渲染概述 139
6．2 延迟渲染概述 139
6．3 Unity 3D中的各种渲染途径 141
6．3．1 Unity 3D的前向渲染途径细节 142
6．3．2 Unity 3D的延迟渲染途径细节 144
第7章 Unity 3D的全局光照和阴影 147
7．1 全局照明和局部照明 147
7．2 引擎提供的光源类型 149
7．2．1 点光源 149
7．2．2 聚光灯光源 150
7．2．3 有向平行光源 150
7．2．4 区域面光源 150
7．2．5 cookie 151
7．3 使用实时模式光源进行全局照明 151
7．4 使用烘焙式光照贴图进行全局照明 152
7．5 使用混合光照进行全局照明 153
7．5．1 Baked Indirect照明模式 154
7．5．2 Shadowmask照明模式 154
7．5．3 Subtractive照明模式 155
7．6 光探针照明的细节 156
7．6．1 光探针照明概述 156
7．6．2 在场景中布置光探针 157
7．6．3 使用光探针 157
7．6．4 光探针代理体 158
7．6．5 反射用光探针 158
7．7 探讨基于球谐函数的全局光照 160
7．7．1 半球空间的光照方程 161
7．7．2 蒙特卡洛积分估算法的定义 161
7．7．3 球谐函数 163
7．7．4 正交对偶基函数和球谐光照 166
7．7．5 Unity 3D中的球谐光照 169
7．8 引擎中的渲染阴影的功能 175
7．8．1 在光源空间中确定产生阴影的区域 175
7．8．2 在屏幕空间中确定产生阴影的区域 175
7．8．3 如何启用阴影 175
7．8．4 透视走样和层叠式阴影贴图 177
第8章 UnityShadowLibrary．cginc 文件分析 179
8．1 阴影与全局照明系统的关系 179
8．2 聚光灯光源生成的阴影 179
8．2．1 启用SPOT宏 179
8．2．2 UNITY_DECLARE_SHADOWMAP宏的定义 180
8．2．3 SAMPLE_DEPTH_TEXTURE及类似的宏 181
8．2．4 UnitySampleShadowmap函数版本1 182
8．2．5 UnitySampleShadowmap函数版本2 183
8．3 点光源生成的阴影 183
8．3．1 从立方体纹理贴图中取得纹素对应的深度值 183
8．3．2 对采样值进行混合计算 184
8．4 预烘焙的阴影 185
8．4．1 LPPV_SampleProbeOcclusion函数 185
8．4．2 UnitySampleBakedOcclusion函数版本1 186
8．4．3 UNITY_SAMPLE_TEX2D_SAMPLER宏的定义 186
8．4．4 UnitySampleBakedOcclusion函数版本2 187
8．4．5 UnityGetRawBakedOcclusions函数 187
8．4．6 UnityMixRealtimeAndBakedShadows函数 188
8．5 阴影的淡化处理 188
8．5．1 UnityComputeShadowFadeDistance函数和UnityCompute
ShadowFade函数 188
8．5．2 梯度计算 189
8．6 计算深度阴影的偏移值 190
8．6．1 UnityGetReceiverPlaneDepthBias函数 192
8．6．2 UnityCombineShadowcoordComponents函数 192
8．7 PCF阴影过滤的相关函数 193
8．7．1 UnitySampleShadowmap_PCF3x3NoHardwareSupport函数 194
8．7．2 用于进行PCF过滤的辅助函数 195
8．7．3 执行PCF过滤操作的函数 199
8．7．4 基于3×3内核高斯模糊的PCF过滤操作 200
第9章 AutoLight．cginc文件分析 203
9．1 DIRECTIONAL宏的定义 203
9．2 有向平行光产生的基于屏幕空间的阴影的相关函数 203
9．2．1 启用UNITY_NO_SCREENSPACE_SHADOWS宏时TRANSFER_SHADOW宏的定义 203
9．2．2 启用UNITY_NO_SCREENSPACE_SHADOWS宏时的unitySampleShadow函数 204
9．2．3 未启用UNITY_NO_SCREENSPACE_SHADOWS宏时TRANSFER_SHADOW宏的定义 204
9．2．4 UNITY_SAMPLE_SCREEN_SHADOW宏和UNITY_DECLARE_SCREENSPACE_ SHADOWMAP宏的定义 205
9．3 Unity 3D 5．6版本后的阴影和光照计算工具函数 205
9．3．1 UnityComputeForwardShadows函数 205
9．3．2 不同编译条件下的UNITY_SHADOW_COORDS、UNITY_TRANSFER_SHADOW和UNITY_SHADOW_ATTENUATION宏的定义 206
9．3．3 计算点光源的光亮度衰减的宏 209
9．3．4 计算聚光灯光源的光亮度衰减的宏 209
9．3．5 计算有向平行光源的光亮度衰减的宏 211
9．3．6 计算带cookie的点光源的光亮度衰减的宏 211
9．3．7 计算带cookie的有向平行光源的光亮度衰减的宏 212
第 10章 基于物理的光照模型 213
10．1 漫反射和Lambert光照模型 213
10．2 镜面反射和Phong光照模型 214
10．3 Blinn-Phong光照模型 215
10．4 基于物理的光照模型的相关概念 216
10．4．1 光的折射和折射率 216
10．4．2 均匀介质 217
10．4．3 散射 217
10．4．4 双向反射分布函数 218
10．4．5 菲涅尔反射 220
10．4．6 微表面和Cook-Torrance模型 223
10．4．7 定义菲涅尔方程 225
10．4．8 Cook-Torrance BRDF模型 226
第 11章 Unity 3D标准着色器和 Standard．shader文件分析 227
11．1 标准着色器中的各项材质属性 227
11．1．1 Rendering Mode属性 227
11．1．2 Albedo属性 228
11．1．3 Metal属性 228
11．1．4 Smoothness属性 229
11．1．5 Normal Map属性 230
11．1．6 Height Map属性 230
11．1．7 Occlusion属性 234
11．1．8 Emission属性 235
11．1．9 Secondary Map属性 235
11．1．10 Detail Mask属性 236
11．2 Standard．shader中的属性变量 236
11．2．1 Standard．shader代码段中的属性变量 236
11．2．2 Standard．shader代码段中的MetallicSetup函数 237
11．3 第 一个SubShader的前向通路 238
11．3．1 前向通路的简化版顶点着色器入口函数 239
11．3．2 前向通路的简化版片元着色器入口函数 247
11．3．3 前向通路的简化版着色器流程 254
11．3．4 前向通路的标准版顶点着色器入口函数 255
11．3．5 前向通路的标准版片元着色器入口函数 258
11．3．6 前向通路的标准版着色器流程 263
11．4 第 一个SubShader的FORWARD_DELTA通路 263
11．4．1 FORWARD_DELTA通路的简化版顶点着色器入口函数 263
11．4．2 FORWARD_DELTA通路的简化版片元着色器入口函数 265
11．4．3 FORWARD_DELTA通路的简化版着色器流程 267
11．4．4 FORWARD_DELTA通路的标准版顶点着色器入口函数 268
11．4．5 FORWARD_DELTA通路的标准版片元着色器入口函数 270
11．4．6 FORWARD_DELTA通路的标准版着色器流程 271
11．5 第 一个SubShader的ShadowCaster通路 272
11．5．1 ShadowCaster通路的编译指示符以及着色器变量和宏 273
11．5．2 ShadowCaster通路的顶点着色器入口函数 275
11．5．3 ShadowCaster通路的片元着色器入口函数 278
11．6 第 一个SubShader的延迟通路 281
11．6．1 延迟通路的顶点着色器入口函数 281
11．6．2 延迟通路的片元着色器入口函数 282
11．7 第 一个SubShader的元渲染通路 284
11．7．1 元渲染通路的顶点着色器入口函数 284
11．7．2 元渲染通路的片元着色器入口函数 285
11．8 UnityStandardInput．cginc的结构体、着色器变量、宏和函数 286
11．8．1 文件中预定义的宏 286
11．8．2 VertexInput结构体 287
11．8．3 TexCoords函数 287
11．8．4 DetailMask函数 288
11．8．5 Albedo函数 288
11．8．6 Alpha函数 289
11．8．7 Occlusion函数 289
11．8．8 MetallicGloss函数 289
11．8．9 Emission函数 290
11．8．10 NormalInTangentSpace函数 290
11．8．11 Parallax函数 291
11．9 UnityStandardUtils．cginc的结构体、着色器变量、宏和函数 292
11．9．1 PreMultiplyAlpha函数 292
11．9．2 OneMinusReflectivityFrom Metallic函数 292
11．9．3 DiffuseAndSpecularFrom Metallic函数 293
11．9．4 LerpWhiteTo函数 293
11．9．5 LerpOneTo函数 293
11．9．6 ParallaxOffset1Step函数 294
11．9．7 UnpackScaleNormalRGorAG函数 294
11．9．8 UnpackScaleNormal函数 295
11．9．9 BlendNormals函数 295
11．9．10 CreateTangentToWorldPer Vertex函数 295
11．9．11 ShadeSHPerVertex函数 295
11．9．12 ShadeSHPerPixel函数 296
11．9．13 BoxProjectedCubemap Direction函数 296
11．10 UnityImageBasedLighting．cginc的结构体、着色器变量、宏和函数 299
11．10．1 Unity_GlossyEnvironmentData结构体 299
11．10．2 UnityGlossyEnvironmentSetup 函数 300
11．10．3 Unity_GlossyEnvironment函数 300
11．10．4 perceptualRoughnessTo MipmapLevel函数 301
11．11 UnityGlobalIllumination．cginc的结构体、着色器变量、宏和函数 301
11．11．1 ResetUnityLight函数 301
11．11．2 SubtractMainLightWithReal timeAttenuationFromLightmap函数 302
11．11．3 UnityGI_Base函数 302
11．11．4 UnityGI_IndirectSpecular函数 304
11．11．5 UnityGlobalIllumination函数版本1 305
11．11．6 UnityGlobalIllumination函数版本2 305
11．12 UnityStandardBRDF．cginc的结构体、着色器变量、宏和函数 305
11．12．1 PerceptualRoughnessTo Roughness函数 306
11．12．2 RoughnessToPerceptual Roughness函数 306
11．12．3 SmoothnessToRoughness函数 306
11．12．4 SmoothnessToPerceptual Roughness函数 306
11．12．5 Pow4函数的4个不同版本 307
11．12．6 Pow5函数的4个不同版本 307
11．12．7 FresnelTerm函数 307
11．12．8 FresnelLerp函数 308
11．12．9 FresnelLerpFast函数 308
11．12．10 DisneyDiffuse函数 308
11．12．11 SmithJointGGXVisibilityTerm函数 309
11．12．12 GGXTerm函数 309
11．12．13 BRDF3_Indirect函数 310
11．12．14 BRDF3_Direct函数 310
11．12．15 BRDF3_Unity_PBS函数 311
11．12．16 BRDF2_Unity_PBS函数 311
11．12．17 BRDF1_Unity_PBS函数 313
11．13 UnityGBuffer．cginc的结构体、着色器变量、宏和函数 314
11．13．1 UnityStandardData结构体 314
11．13．2 UnityStandardDataToGbuffer函数 315
11．14 UnityMetaPass．cginc的结构体、着色器变量、宏和函数 315
11．14．1 UnityMetaPass常量缓冲区 315
11．14．2 UnityMetaInput结构体 315
11．14．3 UnityMetaVertexPosition函数 316
11．14．4 UnityMetaFragment函数 316
第 12章 实战—在片元着色器用算法实时绘制图像 318
12．1 搭建绘图环境 319
12．2 设计绘制场景的着色器 320
12．2．1 顶点着色器所需的数据结构和实现 320
12．2．2 判断某点是否在三角形内 321
12．2．3 基于距离场判定片元的颜色 322
12．2．4 定义五角星几何体数据 326
12．2．5 判断某点是否在圆及矩形内 328
12．2．6 定义和绘制场景中的几何体 331