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Unity3D教程：教你如何利用Shader来进行3D角色的渲染
本文主要介绍一下如何利用Shader来渲染游戏中的3D角色，以及如何利用Unity提供的Surface Shader来书写自定义Shader。
一、从Shader开始
1、通过Assets-&Create-&Shader来创建一个默认的Shader，并取名“MyShader”。
Unity3D教程：3D角色的渲染
2、将MyShader打开即可看见Unity默认的Shader代码
&&&01Shader &Custom/MyShader& {02Properties {03_MainTex (&Base (RGB)&, 2D) = &white& {}04}05SubShader {06Tags { &RenderType&=&Opaque& }07LOD 20008CGPROGRAM09#pragma surface surf Lambert10sampler2D _MainTex;11struct Input {12float2 uv_MainTex;13};14void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {15half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);16o.Albedo = c.rgb;17o.Alpha = c.a;18}19ENDCG20}21FallBack &Diffuse&22}
3、将该Shader赋给一个角色，就可以看到该Shader所能表达出的Diffuse渲染效果。
Unity3D教程：3D角色的渲染
4、接来我们将以此默认Shader作为蓝本，编写出自定义的Shader。另外，该Shader所用到的参数，我们将在下一章节进行说明。
二、实现多种自定义渲染效果
1、 BumpMap效果
如果想实现Bump Map效果，可对上述的Shader做如下修改：
1.1 在属性Properties中加入：
&&&1Properties {2_MainTex (&Base (RGB)&, 2D) = &white& {}3_BumpMap(&Bumpmap&, 2D) = &bump& {}4}
1.2 在SubShader的变量中也进行相应修改：
&&&1sampler2D _MainTex;2sampler2D _BumpMap;3struct Input {4float2 uv_MainTex;5float2 uv_BumpMap;6};
1.3 最后修改surf函数，加入对Normal分量的计算：
&&&1void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {2&white-space:&& half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);3o.Albedo = c.rgb;4o.Alpha = c.a;5o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));6}
这样，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定BumpMap的Shader名为“MyShader1”）：
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然后，根据Base图来创建其Normal Map图，并拖入到BumpMap中即可。BumpMap的效果显示如下：
Unity3D教程：3D角色的渲染
（1）首先是title的解释
&&&1Shader &Custom/MyShader1&
这种表示表明了该Shader在编辑器中的显示位置，例如我们可在如下地方找到该Shader。
Unity3D教程：3D角色的渲染
（2）其次是Properties
&&&1Properties {2_MainTex (&Base (RGB)&, 2D) = &white& {}3_BumpMap(&Bumpmap&, 2D) = &bump& {}4}
Properties可通过如下语义进行声明：
name ("displayname", property type) = default value
“name” 是与Shader脚本中对应的名字
“display name”是在材质视图中所显示的名字
“propertytype”是指该property的类型，一般可有如下几种类型：Range，Color，2D，Rect，Cube，Float和Vector
“defaultvalue”是指该property的默认值
这里需要注意的是，如果你在Properties中加入了新的属性，那么你需要在CGPROGRAM中的SubShader中加入同样名字的参数。
（3）接下来是“LOD”语义词的解释。
这里的“LOD”主要是指Shader的LOD程度，即对于超出该范围的物体将不再通过该Shader进行渲染，具体的Shader LOD说明可以参见：
（4）我们在SubShader中还加入了
&&&1sampler2D _BumpMap;2float2 uv_BumpMap;
其中，_BumpMap是为了关联Properties中的_BumpMap属性。
而uv_BumpMap，是为了获取BumpMap图中的uv坐标。
（5）最后，我们在surf函数中获取每个顶点的纹理信息以及法线信息，这些信息将被应用于接下来的Vertex Fragment和Pixel Fragment。
&&&1void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {2half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);3o.Albedo = c.rgb;4o.Alpha = c.a;5o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));6}
其中，tex2D函数可以读取纹理_MainTex中的IN.uv_MainTex坐标位置的像素颜色值。
Albedo和Alpha分别获取该像素的RGB值和Alpha值，其中“Albedo”是一个漫反射参数，它表示一个表面的漫反射能力，即一个表面上出射光强与入射光强的比值。具体介绍可见：。
2、& Blinn-Phong效果
如果想实现Blinn-Phong效果，可对上述的Shader做如下修改：
2.1&&在属性Properties中加入：
&&&1_AmbientColor (&Ambient Color&, Color) = (0.1, 0.1, 0.1, 1.0)2_SpecularColor (&Specular Color&, Color) = (0.12, 0.31, 0.47, 1.0)3_Glossiness (&Gloss&, Range(1.0,512.0)) = 80.0
2.2&&在SubShader的变量中也加入相应修改：
&&&1fixed4 _AmbientColor;2fixed4 _SpecularColor;3half _Glossiness;
2.3&&最后修改surf函数，进行如下修改：
&&&1fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
这里将原有的half4替换为fixed4，这样做是为了提高渲染的性能，因为fixed的精度较之half要低，更高的精度意味着更大的计算量，而这里fixed的精度已经足够，所以使用fixed替代half4，从而来降低计算消耗，增加渲染性能。
2.4&&将“#pragma surface surf Lamber”改成“#pragma surfacesurf CustomBlinnPhong”，同时加入与其对应的LightingCustomBlinnPhong函数来计算顶点光照。
&&&01inline fixed4 LightingCustomBlinnPhong (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, fixed atten) 02{03fixed3 ambient = s.Albedo * _AmbientColor.rgb;04&05fixed NdotL = saturate(dot (s.Normal, lightDir)); 06fixed3 diffuse = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL;07&08fixed3 h = normalize (lightDir + viewDir); 09float nh = saturate(dot (s.Normal, h)); 10float specPower = pow (nh, _Glossiness);11fixed3 specular = _LightColor0.rgb * specPower * _SpecularColor.rgb;12&13fixed4 c;14c.rgb = (ambient + diffuse + specular) * (atten * 2);15c.a = s.Alpha + (_LightColor0.a * _SpecularColor.a * specPower * atten);16return c;17}
该函数的名称为什么不是“CustomBlinnPhong”呢？这是因为该函数虽然是由“#pragma surface surf CustomBlinnPhong”来调用，但是为了让该函数可以正常工作，我们需要在其名称前加入“Lighting”关键字，这样Unity才能识别出这是一个自定义的光照函数。
通过以上设置，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定该Shader名为“MyShader2”）：
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其显示效果如下：
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3、& 边缘光照（Rim Light）和卡通渲染（Toon Shading）
可以通过对上述Shader做以下改进，来达到这种效果：
3.1&&在属性Properties中加入：
&&&1_RimColor (&Rim Color&, Color) = (0.12, 0.31, 0.47, 1.0) 2_RimPower (&Rim Power&, Range(0.5, 8.0)) = 3.0 3_Ramp (&Shading Ramp&, 2D) = &gray& {}
3.2&&在SubShader的变量中也加入相应修改：
&&&01sampler2D _MainTex;02sampler2D _BumpMap;03sampler2D _Ramp;04&05fixed4 _AmbientColor;06fixed4 _SpecularColor;07half _Glossiness;08&09fixed4 _RimColor;10half _RimPower;11&12struct Input {13float2 uv_MainTex;14float2 uv_BumpMap;15half3 viewDir; 16};
3.3&&修改surf函数，进行如下修改：
&&&1void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {2fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);3o.Albedo = c.rgb;4o.Alpha = c.a;5o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));6fixed rim = 1.0 - saturate (dot (normalize(IN.viewDir), o.Normal));7o.Emission = (_RimColor.rgb * pow (rim, _RimPower));8}
这里主要是用来计算边缘光照的，首先通过视线与法线的夹角来找到模型的边缘，然后再根据距离的远近来控制发射光的强度。
3.4&&将“#pragma surface surf CustomBlinnPhong”改成“#pragma surfacesurf CustomBlinnPhong exclude_path:prepass”，同时在LightingCustomBlinnPhong函数来修改漫反射光的计算，来达到卡通渲染的效果。
&&&1fixed NdotL = saturate(dot (s.Normal, lightDir)); 2fixed diff = NdotL * 0.5 + 0.5;3fixed3 ramp = tex2D (_Ramp, float2(diff, diff)).rgb;4fixed diffuse = s.Albedo * LightColor0.rgb * ramp;
通过以上设置，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定该Shader名为“MyShader3”）：
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其显示效果如下：
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可以看出边缘光照的效果，同时还可以看出明显的明暗变化的卡通渲染效果。
三、&&&&&&&小结
综上所述，本文已经给出了人物的几种基本渲染方法及其Shader实现，在这里我并没有去分析每种渲染效果的原理，而仅是从实际出发，直接给出对应的简单实现方法。如果想要对光照模型进行深入理解，可以Google搜索其原理进行了解。最后，给出各种渲染方法的对比图，显示如下：
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物理渲染是UNITY5最大的亮点之一，物理渲染的采用绝对是下一个世代游戏的热点，UNITY5的大范围使用是一个可喜可贺的事情，关于什么是物理渲染，本人曾经写过一篇博客专门讨论，详见。
物理渲染和当今的主流光照计算最大的区别就是，当今的lambert blinn phone基本上是基于模拟的模型，就是尽可能的去模拟我们看上去的物体反射的颜色，甚至可以说是拍脑袋的模型，用于欺骗我们的眼睛，而基于物理的光照计算则是依据了光线传播的物理特性，更加贴近于真是的光照情况，虽然在实现上还是用了一些近似计算。所以物理渲染在表现自然界的物体时尤其的看上去更加真实。
Unity5里面采用了一套全新的shader 叫做 standard shader，这套shader使用的就是基于物理的光照计算，而老的那些shaderUNITY已经不推荐使用，UNITY5认为我们大多数情况都应该使用standard shader。下图左面使用的是物理渲染，右面使用的是blinn phone，都用来表现一个很光滑的金属，没上贴图，可以明显的感觉到左侧的真实的多，这就是UNITY5给我们在图形质量上带来的提升。
我们来分析一下Standard Shader的各种参数的意义
Albedo： 这就是物体表面的基本颜色，在物理模型中相当于物体表面某处各子表面的散射颜色。
Metallic ： 这相当于物理模型中的F(0)，即物体表面和视线一致的面的对光线反射的能量，通常金属物体通常超过50%，大部分在90%，而非金属集中在20%以下，自然界中的物质很少有在20%-40%之间的（除非一些人造物体），正因为如此这个属性被形象的称谓metallic（金属感）
Smoonthness：这相当于物理模型中与实现一致的面占所有微面的比例，比例越大，物体越光滑，反之越毛糙，一定要区分这个和mettalic（metallic在描述对反射能量的强弱，smmothness描述表面的光滑程度），当然大所属情况下金属的smoothness都很高。
normal map：法线贴图
height map: 视差贴图，用于在法线贴图的基础上表现高低信息（法线只能表现光照强弱，而视察贴图可以增加物理上的位置的前后）
Occlution：遮挡占据贴图,用于模拟GI，物体在默写凹槽处由于受到光线的减少而显得暗，也就是自遮挡。
Emission：自发光，不过UNITY5的自发光可以在全局光照中当光源使用，非常好
secondary maps：第二道贴图
Detail Mask：对第二道贴图的mask
除了standard shader之外，unity5还提供了一个Standard (Specular setup)，主要区别在于，这个shader提供了一个和albedo不同的specular的颜色，也就是漫反射和高光反射的颜色分开，而对于前者albedo控制了漫反射和高光反射，并且认为更多的光是被高光反射了，UNITY文档说对于大多数效果这两种途径基本都可以表现，而选取那种取决于你的习惯...