Unity Shader——Writing Surface Shaders(0)

　　从今天起，开始翻译Unity关于shader的官方文档。翻译水平比较一般，目的主要是通过翻译来提升对shader的见解，也让其他人更容易的了解shader。以下开始正文内容：

编写Surface Shaders

　　和光交互的shader写起来很复杂，有不同的光照类型、阴影选项、渲染路径（正向渲染和延迟渲染），有时shader需要考虑所有的复杂性。

　　Unity中的Surface Shader是一个代码生成器，用它来写光照shader（lit shader）相比于使用低阶的顶点/像素shader（vertex/pixel shader）程序，会更加容易。注意Surface Shader中并没有固定的语言和奇幻的东西（magic or ninjas involved）。它仅仅是生成原本必须由手工重复编写的代码。你也可以用Cg/HLSL来写shader代码。

　　这里有一些例子： Surface Shader Examples、Surface Shader Custom Lighting Examples。

它如何工作

　　你定义一个“surface 函数”，其输入是你所需要的任意UVs或数据，输出是SurfaceOutput数据结构。SurfaceOutput简单地描述了surface的属性（properties of the surface），如反射率颜色（albedo color）、法线（normal）、散射（emission）、镜面反射（specularity ）等。

　　Surface Shader编译器会确定需要什么输入，有什么输出等，也会产生实际的顶点&像素shader（vertex&pixel shaders），以及渲染路径来处理正向和延迟渲染。

　　surface标准的输出结构如下：

struct SurfaceOutput
2 {
3     fixed3 Albedo;  // 漫反射颜色
4     fixed3 Normal;  // 切线空间法线，如果赋值的话
5     fixed3 Emission;
6     half Specular;  // 高光强度，范围是0-1
7     fixed Gloss;    // specular intensity
8     fixed Alpha;    // 透明度
9 };

　　在Unity 5中，surface shader 也能使用物理光照模型。内建的标准和标准镜面光照模型（见下文）分别使用以下输出结构：

struct SurfaceOutputStandard
{
    fixed3 Albedo;      // 基础 (漫反射或镜面反射) 颜色
    fixed3 Normal;      // 切线空间法线，如果赋值的话
    half3 Emission;
    half Metallic;      // 0=非金属, 1=金属
    half Smoothness;    // 0=粗糙, 1=光滑
    half Occlusion;     // 遮挡(默认1)
    fixed Alpha;        // 透明度
};
struct SurfaceOutputStandardSpecular
{
    fixed3 Albedo;      // 漫反射颜色
    fixed3 Specular;    // 镜面反射颜色
    fixed3 Normal;      // 切线空间法线，如果赋值的话
    half3 Emission;
    half Smoothness;    // 0=粗糙, 1=光滑
    half Occlusion;     // 遮挡(默认1)
    fixed Alpha;        // 透明度
};

例子

　　参见：Surface Shader Examples, Surface Shader Custom Lighting Examples and Surface Shader Tessellation。

Surface Shader编译指令

　　Surface shader放在CGPROGRAM..ENDCG块中，就像其他任何的shader一样。不同处在于：

• 它必须放在SubShader块中，而不是Pass中。Surface shader将会自动编译进多个pass中。
• 它使用#pragma surface ...指令来指示它是Surface shader。

　　#pragma surface指令如下：

#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]

必须参数

• surfaceFunction — 拥有surface shader代码的Cg函数。此函数应有这样的格式：void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)，其中Input是你定义好的结构，它应该包含任何纹理坐标以及surface函数所需的额外的自动变量。
lightModel — 要使用的光照模型。内建的光照模型是基于物理的标准和标准镜面光照模型，以及简单的非物理Lambert（漫反射）和BlinnPhong（镜面）光照模型。参见

Custom Lighting Models

来学习如何编写。
• 标准光照模型使用SurfaceOutputStandard输出结构，并匹配Unity中的标准（金属工作流）shader。
• 标准镜面光照模型使用SurfaceOutputStandardSpecular输出结构，并匹配Unity中的标准（高光设置）shader。
• Lambert和BinnPhong光照模型是不基于物理的（来自Unity 4.x），但是使用它们的shader在低配电脑上能够渲染地更快。

可选参数

　　透明度和alpha测试（Transparency and alpha testing）由alpha和alphatest指令控制。通常透明度有两种类型：传统alpha混合（用于对象淡出）或更逼近物理的“混合预乘”（允许半透明的表面保持合适的镜面反射）。开启半透明度使得产生的surface shader代码包含blending指令：基于给定的变量，开启alpha裁剪将会在生成的像素shader中进行碎片丢弃。

• alpha 或 alpha:auto —  将会选择fade-transparency (同alpha:fade)作为简单的光照函数，选择premultiplied transparency (同alpha:premul)作为物理光照函数。
• alpha:fade — 允许传统的透明度渐隐。
• alpha:premul — 允许预乘alpha透明度。
• alphatest:VariableName — 允许alpha裁剪透明度。截断值是一个名为VariableName的float类型变量。你还可以使用addshadow指令来生成合适的投影通道。
• keepalpha — 默认alpha通道中的不透明度为1.0（白色），无论输出结构中的Alpha是多少或者光照函数的返回值是多少。
• decal:add — 附加的贴花shader（如terrain AddPass）。这对位于其他表面正上方和使用附加混合的对象来说是有意义的。
• decal:blend — 半透明贴花shader。这对位于其他表面正上方和使用alpha混合的对象来说是有意义的。

　　定制修改器函数（Custom modifier functions）能够用来改变或者计算输入的顶点数据，或者改变最终计算出的片段颜色。

• vertex:VertexFunction — 定制顶点修改器函数. 此函数在生成的顶点shader的开始处被调用，可以修改或计算预顶点数据，参见 Surface Shader Examples。
• finalcolor:ColorFunction — 定制的最终颜色修改器函数。参见Surface Shader Examples。

　　阴影和镶嵌（Shadows and Tessellation）— 附加指令，用于控制阴影和镶嵌的处理。

• addshadow — 生成一个投影通道。一般还要使用定制顶点修改器，这样投影也能获取任何程序上的顶点动画。 当shader通过fallback来使用投影时，通常不需要任何特别的阴影处理。
• fullforwardshadows — 支持 Forward 渲染路径中所有的光照阴影模型。默认shader只支持正向渲染中来自单方向光产生的阴影。如果你需要用点光源或聚光光源来产生阴影，使用该指令。
• tessellate:TessFunction — 使用DX11 GPU 镶嵌; 该函数计算镶嵌因子。详情参见 Surface Shader Tessellation。

　　代码生成选项 — 默认生成的surface shader代码会尝试去处理所有可能的光照/阴影/光照贴图场景。尽管如此，在某些情况下你并不需要其中一些，你可以调整生成的代码来跳过它们。这样就能产生更小、加载速度更快的shader。

• exclude_path:deferred, exclude_path:forward, exclude_path:prepass - 对于给定的渲染路径(分别是Deferred Shading, Forward 和 Legacy Deferred)，不生成相应的通道。
• noshadow — 在此shader中关闭所有支持阴影功能。
• noambient — 不应用任何环境光或光照探测（light probes）。
• novertexlights — 不在正向渲染中应用任何光照探测或预顶点光照。
• nolightmap — 在此shader中关闭所有支持光照贴图功能。
• nodynlightmap — 在此shader中关闭支持运行时动态全局光照（runtime dynamic global illumination）功能。
• nodirlightmap - 在此shader中关闭支持方向光照贴图功能。
• nofog — 关闭内建的支持所有雾效果功能。
• nometa — 不产生“meta”通道（该meta用来由光照贴图和动态全局光照提取表面信息）。
• noforwardadd — 关闭Forward 渲染附加通道。 这使得shader支持单方向完全光照，以及所有其他由每个顶点/SH计算的光照。同时使得shader更小。

　　混合选项

• softvegetation — 当柔性植被开启时，surface shader才会被渲染。
• interpolateview — 在顶点shader中计算视线方向并进行插值，而不是在像素shader中进行计算。这使得像素shader更快，但会多消耗一个纹理插值器。
• halfasview — 将half-direction 向量，而不是视线方向向量，传递给光照函数。Half-direction 将被逐顶点计算和单位化。这会更快，但不会完全正确。
• approxview — 在Unity 5.0中被移除，请用interpolateview 替代。
• dualforward - 在forward渲染路径中使用dual lightmaps 。

　　要了解使用上述不同选项所带来确切的变化，使用Shader Inspector中的“Show Generated Code” 按钮将会有所帮助。

Surface Shader 输入结构

　　输入结构 Input 通常有shader所需的任意纹理坐标。纹理坐标必须命名为“uv”+“纹理名称”（或者以“uv2”开头，来使用第二个纹理坐标集）。 

输入结构中还能放入一下额外的变量：

• float3 viewDir — 将会包含视线方向，用来计算视差影响，边缘光照等。
• float4 with COLOR semantic — 将会包含每个顶点插值后的颜色。
• float4 screenPos — 将会包含反射或屏幕空间影响下的屏幕空间坐标。
• float3 worldPos — 将会包含世界空间坐标。
• float3 worldRefl — 如果surface shader没有赋值o.Normal，将会包含世界反射向量。参见例子：Reflect-Diffuse shader。
• float3 worldNormal — 如果surface shader没有赋值o.Normal，将会包含世界法向量。
  
• float3 worldRefl; INTERNAL_DATA — 如果surface shader没有赋值o.Normal，将会包含世界法向量。为了获得逐像素法线贴图的反射向量，请使用WorldReflectionVector (IN, o.Normal)。参见例子： Reflect-Bumped shader。
• float3 worldNormal; INTERNAL_DATA — 如果surface shader没有赋值o.Normal，将会包含世界法向量。为了获得逐像素法线贴图的法向量，请使用WorldNormalVector (IN, o.Normal)。

Surface shaders 和 DirectX 11

　　目前，surface shader编译管道的部分内容并不能理解 DirectX 11-特定的HLSL 语法， 所以如果你在使用HLSL特性，诸如StructuredBuffers, RWTextures 和其他非DX9 语法，你必须将之包含在只针对DX11的预处理器宏中。详情参见Platform Specific Differences 。