Surface Shader
本小結對Unity的Surface Shader做一個大概的了解。主要了解在Surface Shader當中比較重要的幾個部分，分別是:
- SurfaceOutput
- Input
- lighing
- shadow
首先查看一下Unity的官方手冊中的Writing Surface Shaders，其中描述道：如果要編寫一個shader去和光進行交互是比較復雜的，因為光照會有不同的光照類型，不同的陰影選項和不同的渲染路徑（包括foward和deferred rendering等），因此shader需要找到處理這些復雜事物的方法。
在使用Surface Shader時，它可以自動生成一些代碼，比直接去使用低階的頂點和像素着色器來說要容易許多。但是需要注意的是Surface Shader並不是一種定制的語言，也不是一種神奇的東西，它只不過自動生成了以前必須去手寫的代碼。Surface Shader還是使用Cg或HLSL語言編寫。在前面課程當中，已經初步解到，Surface Shader實際上就是對頂點和像素着色器的一種包裝，它讓我們不用去關注更多的頂點和片段程序的細節，能夠快速地得到想要的着色器。接下來試着編寫一些Surface Shader程序。
創建一個默認的Surface Shader，如下：
1 Shader "Lesson/SurfaceShader1" { 2 Properties { 3 _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1) 4 _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {} 5 _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5 6 _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0 7 } 8 SubShader { 9 Tags { "RenderType"="Opaque" } 10 LOD 200 11 12 CGPROGRAM 13 // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types 14 #pragma surface surf Standard fullforwardshadows 15 16 // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting 17 #pragma target 3.0 18 19 sampler2D _MainTex; 20 21 struct Input { 22 float2 uv_MainTex; 23 }; 24 25 half _Glossiness; 26 half _Metallic; 27 fixed4 _Color; 28 29 void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) { 30 // Albedo comes from a texture tinted by color 31 fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color; 32 o.Albedo = c.rgb; 33 // Metallic and smoothness come from slider variables 34 o.Metallic = _Metallic; 35 o.Smoothness = _Glossiness; 36 o.Alpha = c.a; 37 } 38 ENDCG 39 } 40 FallBack "Diffuse" 41 }
首先來了解一下這個Shader結構。這個Shader在Properties中有四個屬性：
- _Color為顏色值。
- _MainTex是主紋理。
- _Glossiness是一個浮點值，用於計算高光的光澤度。
- _Metallic也是一個浮點值，用於計算表現金屬的光澤度。
該shader有一個SubShader，但是，在這個SubShader中並沒有Pass通道。這里需要注意的是，在Surface Shader當中不需要去編寫Pass通道，原因是Surface Shader就是對Vertex & Fragment Shader的一種包裝，它能夠在自動生成着色器代碼，生成的過程不需要我們干預，Pass通道也能自動生成，因此，如果添加了Pass通道，就會出現編譯錯誤。最后，作為ShaderLab的基本結構，該默認的Surface Shader擁有一個FallBack，如果shader中的某一種特性不能夠被使用，那么會回滾到Diffuse。
接下來重點了解一下SubShader擁有哪些內容。其中“Tags { "RenderType"="Opaque" }”描述的是渲染類型，“Opaque”表示不透明的物體；“LOD 200”是指層級細節；“CGPROGRAM”到“ENDCG”是一個代碼塊，表示其中使用Cg語法，要真正地學會Surface Shader編程，有必要先學會Cg語言，不過現在可以簡單地從Surface Shader的結構出發，基本了解一下Surface Shader的內容。
首先“#pragma surface surf Standard fullforwardshadows”是Surface Shader當中比較重要的一部分。“pragma”是一個編譯指令，這個編譯指令有具體的格式，可以從Unity官方手冊中了解一下有關的內容，其格式為：“#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]”。
- 以“#”開頭，“surface”關鍵詞表示該shader以Surface Shader格式來編寫，Unity引擎在處理這個shader結構的時候，就會自動地進行編譯低階的代碼。
- “surfaceFunction”是指surface的函數，在一定條件下可以隨便取名，在默認創建的Surface Shader中的"surf"就是函數名，下面也有對應的函數體。
- “lightModel”描述的是光照模型，在默認創建的Surface Shader中使用的是“Standard”，那么這個光照模型實際上也是一個函數，我們可以在Unity（5.0以上）的安裝目錄上找到一個光照的代碼文件"UnityPBSLighting.cginc"，其中的函數“LightingStandard”，其中“Lighting”后的名稱是我們真正使用的函數名。
- “[optionalparams]”表示其他的一些選項，默認Surface Shader使用的是“fullforwardshadows”，從字面上理解是關於陰影的一些功能，查看Unity手冊可以了解到默認使用的“fullforwardshadows”表示它能夠在Forward渲染路徑下支持所有的陰影類型，默認的shader僅僅能支持一個方向光的陰影，如要在Forward渲染路徑下使用點光源或聚光燈產生的陰影就需要使用該指令。這里需要注意的是，在其上還有一個“addshadow”指令，它的主要功能就是生成一個陰影投射器，在現目前的代碼當中也可以直接使用“addshadow”。
接下來在工程中實際使用一下這個shader。
創建一個材質並使用該shader，然后在場景中創建一個Cube當做地面，在其上創建一個Sphere，並使用我們創建的材質，可以看到球體的檢視面板中已經擁有了shder當中編寫的四個屬性：“Color”是顏色，默認為白色；“Albedo (RGB)”是主紋理，這里先拖放一張貼圖；“Smoothness”是平滑度，描述的是高光的強度；“Metallic”表示的是金屬質感，調整這個系數可以修改金屬質感的強度，金屬質感原理就是如果光照射非常光滑的金屬物體，有鏡面反射的部分光會很集中，形成高亮，沒有鏡面反射的地方就會很暗淡。效果如圖：
以上就是對該shader的基本使用。
接下來在該shader中，“#pragma target 3.0”表示我們將要對這個着色器使用硬件的“shader model 3.0”的能力，硬件的“shader model”是硬件一個用於着色處理的基礎的指令范圍和能力，值越高表示能使用越高級的功能，如果沒有使用“#pragma target 3.0”這句指令，默認使用的是“shader model 2.0”。
“sampler2D”是一個二維紋理，這里表示該shader的主紋理參數。
struct Input { float2 uv_MainTex; };
之后的Input結構體，用於描述紋理的uv坐標，查看Unity文檔，在"Surface Shader input structure"目錄中，關於這個紋理坐標，必須以“uv”或“uv2”開頭，使用“uv”表示用第一套uv坐標集合，用“uv2”表示第二套uv坐標集合。因此，如果在Properties中使用類似"_MainTex"紋理屬性，就需要在SubShader中的一個輸入結構體當中必須以“uv”開頭的變量，否則就得不到該紋理采樣值。
除了Input結構體之外，在CGPROGRAM要對Properties中的屬性做對應的聲明。兩者的類型不一樣，“2D”對應“sampler2D”，“Range”對應“half”，“Color”對應“fixed4”。