[閱讀筆記] Unity shader 入門精要 #3

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《Unity shader 入門精要》的讀書筆記，九到十一章。 更深入的說明光照、貼圖，以及跟時間沾上邊的 shader

第九章：進階光照

  • 渲染路徑 (Rendering Path)
  • Forward Rendering Path
    • 對所有光照與 fregmant 進行深度測試，通過則計算光照，寫入 Frame Buffer
    • 對硬體需求較低，但不適合處理大量光照
    • LightMode Tags 分成 ForwardBase 跟 ForwardAdd 兩種
    • Base Pass 會進行環境光跟自發光計算，並處理一個逐像素平行光照，預設有陰影，需要使用編譯命令 #pragma multi_compile_fwdbase
    • Addition Pass 逐像素處理剩餘光照，預設無陰影，需要設定 Blend，並使用編譯命令 #pragma multi_compile_fwdadd
    • 如果需要陰影資料的 Addition Pass，則改用 #pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows
  • Deferred Rendering Path
    • 對所有光照與 fregmant 進行深度測試，通過則將資料寫入 G Buffer，再用第二個 Pass 計算，寫入 Frame Buffer
    • 硬體需求較高，但是可以應對較多的光照
    • 不支持完整的抗鋸齒 (AA，anti-aliasing)、不能處理半透明
  • Vertex Lit Rendering Path：Unity 5.0 後已淘汰，屬於 Forward Rendering Path 的特例
  • 四種光源：平行光、點光源、聚光燈、面光源
    • 在 shader 中判斷光源類型：#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT
  • 光源屬性：位置、方向、顏色、強度、衰減
    • 取得光源的相對位置 ：mul(_LightMatrix0, float4(worldPosition, 1)).xyz;
    • 取得顏色與強度的綜合值：_LightColor0
    • 對衰減值進行查表：tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
  • 陰影渲染：
    • Unity 會取得物件底下 LightMode Tags 為 ShadowCaster 的 Pass，將攝影機置於光源位置，取得一系列的場景深度 (Shadow Map)，用於判斷其他物件是否位於陰影中，透過設置適當的 Fallback 即可讓物件有此功能。
    • 陰影生成分為 產生陰影地圖、在物體上透過採樣陰影地圖渲染陰影 兩步驟，Unity 的 Mesh Render 可以設定是否產生或接受陰影。
  • AutoLight.cginc 提供了可以用於計算陰影的內建方法，使物體可以接受陰影：
    • SHADOW_COORDS (int) - 呼叫於 vertex shader 的輸入結構定義，用於儲存陰影採樣的座標結構宣告，需要一個傳入值，為一個尚未使用的 texcoord 編號。
    • TRANSFER_SHADOW (struct) - 呼叫於 vertex shader 中計算座標，需要將輸出結構作為傳入值。
    • SHADOW_ATTENUATION (struct) - 呼叫於 fragment shader，需要輸入結構作為傳入值，會回傳一個 fixed 變數，代表光線比例，跟漫反射及高光數值相乘即可。
    • 上面三個方法是使用 #define 進行定義，所以有一些額外的命名規則要遵守。
    • UNITY_LIGHT_ATTENUATION - 綜合了光照衰減採樣及陰影地圖採樣的方法。

第十章：進階紋理貼圖 (More Texture)

  • Cubemap
    • SkyBox 是將六張貼圖 (或者一張展開圖) 合併為一個立方體進行採樣的效果，為 Cubemap 的一種。
    • 動態生成的 Cubemap 可以用 Camera.RenderToCubemap 方法完成。
  • Cubemap 應用
    • 反射紋理：利用入射方向 (攝影機方向)、法線方向取得反射方向後進行採樣。
    • 折射紋理方法類似反射，但計算原理公式不同。
    • 因為反射折射與漫反射屬於類似的物理效應，所以會用 **一個可設定的比例 **混和兩者的顏色，替代原本漫反射的位置。
    • 另有 Schlick Fresnel 等式用於決定折射比例，可以渲染物體邊緣透光的效果：http://www.jordanstevenstechart.com/physically-based-rendering
  • Render Texture
    • 在專案中建立 Render Texture：可以調整解析度
    • GrabPass、OnRenderImage：解析度與螢幕大小相同，GrabPass 不適合在移動設備上使用
  • 使用 GrabPass 需要對應兩個變數：
    • GrabPass { “NAME” }
    • sampler2D NAME;
    • float4 NAME_TexelSize;
  • Procedural Texture
    • 使用腳本生成的 Texture 賦予 Material
    • Unity 另外支援透過 Substance Designer 所繪製的 Procedural Material
  • 本章提到的一些內建方法
    • reflect (入射方向, 法線方向) 可以計算反射方向
    • refract (單位入射方向, 單位法線方向, 折射係數) 可以計算折射方向
    • texCUBE (cubemap, direction) 對 cubemap 進行採樣
    • lerp (a, b, amount)
    • ComputeGrabScreenPos (頂點座標) 取得螢幕上的座標

第十一章：動畫

  • Unity shader 內建的時間變數：
    • _Time = (t/20, t, 2t, 3t)，t 為自場景加載後的時間
    • _SinTime =  (t/8, t/4, t/2, t)，t 為經過 sin 運算的時間
    • _CosTime 類上
    • unity_DeltaTime = (dt, 1/dt, smoothDt, 1/smoothDt)
  • 相關應用：
    • 逐格動畫
    • 無限滾動特效
    • 頂點動畫：水波動、Billboarding (讓平面永遠面向攝影機)
  • 頂點動畫注意事項
    • 需要避開 WorldSpace 的運算，否則必須 DisableBatching
    • 需要另外撰寫 ShadowCaster shader 來做陰影的動畫
  • 本章提到的一些內建方法
    • floor (float) 取高斯值
    • V2F_SHADOW_CASTER 內建方法計算所需的 v2f 定義
    • TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET (struct) 於 vertex shader 中計算陰影，傳入值為一個 v2f 結構
    • SHADOW_CASTER_FRAGMENT (struct) 於 fragmant shader 中輸出結果到 shadow map