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  • unity5, custom PBS shader

    unity5中引入了基于物理着色(PBS)的Standard shader。由于这种着色器通过调节参数和贴图可逼真模拟各种硬质表面,所以不必再像unity4时代那样需要对各种质感材质单独编写着色器,而且能得到更好的效果(参考:http://docs.unity3d.com/Manual/shader-StandardShader.html)。这种“万能着色器”仿佛给人一种不再需要自己编写着色器的假象,但做游戏跟做虚拟现实不一样,除了真实性,还要追求趣味性和艺术夸张。所以老古语不过时:没有使用自定义着色器的游戏,不是好游戏。

    但自己实现PBS是很困难的,如果我们想既继承Standard shader的PBS特性又加入自己的定制效果,最好我们的自定义shader能在Standard shader的基础上进行编写,即实现自定义PBS着色器(custom PBS shader)。

    由于是新东西,资料不全,google了一整天也没能找到现成方法,unity官方文档中对此完全没有作说明(在surface shader自定义光照模型 部分只给了不带PBS的例子),unity论坛里有多个帖子问到类似问题,但都没有满意解答。最后在下面两个连接里找到了一点儿线索:

    http://forum.unity3d.com/threads/for-those-in-u5-beta-is-pbr-really-that-good.283867/page-3#post-1886525

    http://blogs.unity3d.com/2014/10/29/physically-based-shading-in-unity-5-a-primer/ (文章下面 MIG 的提问)

    此线索是:“

      from the release notes for beta 12:

    • Shaders: Surface shaders can use physically based shading now; the same as Standard shader uses.
      • Use "Standard" lighting function, and "SurfaceOutputStandard" output structure.
      • Do an #include "UnityPBSLighting.cginc" in your shader to get it.
      • Default options require shader model 3.0, so add a "#pragma target 3.0" too.

    然后又结合了UnityPBSLighting.cginc中的源代码(注1),当然,只是从UnityPBSLighting.cginc中拷贝一些代码出来(而不是修改它),最后终于把custom PBS shader试验成功了。

    注1:UnityPBSLighting.cginc这个文件在哪儿?有三个途径获得:

    (1),在 http://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaderLighting.html 中写道:“file inside Unity ({unity install path}/Data/CGIncludes/ on Windows, /Applications/Unity/Unity.app/Contents/CGIncludes/ on Mac)”,需要注意的是"/Applications/Unity/Unity.app/Contents/CGIncludes/"这个路径是在Unity.app的“包内容”里,所以这就是为什么在Mac上虽然UnityPBSLighting.cginc已经随unity一起安装了,但确不能通过文件搜素找到。

    (2),通过网址http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMakeYourOwn.html进入在线的"Make your own"页面下载builtin_shaders的最新版本(也包括历史版本)。因为我的unity是最新的,所以通过此途径下载到的最新版的builtin_shaders与途径(1)中的是一致的,但如果你的unity不是最新的,一定要根据你的unity版本号下载相应版本的builtin_shaders,否则你拷贝其中的代码用到自定义shader中可能报错。

    (3),在浏览器地址栏输入file:///Applications/Unity/Unity.app/Contents/Documentation/en/Manual/StandardShaderMakeYourOwn.html进入离线的"Make your own"页面(从地址上你可以看出这个页面实际上保存在你的电脑中),下载builtin_shaders,但要注意,通过这个离线文档下载的builtin_shaders可能不是最新的,我今天就被此坑了一回,通过此途径下载的UnityPBSLighting.cginc文件中的代码拷贝到自定义shader中报错,搞了半天没找到原因,直到我又通过途径(1)重新获得UnityPBSLighting.cginc。。。

    综上,途径(1)是最好的。

    下图第一个球用的是Standard shader,第二个球用的是“将法线当作颜色值”的自定义shader(不带PBS),第三个球是今天的试验成果:在Standard shader的PBS基础上添加了“将法线当作颜色值”效果的杂交shader。

    第一个球的shader用的是unity(version 5.0.1f1 Personal)里新建shader时生成的默认shader:

    Shader "Custom/NewShader" {
        Properties {
            _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
            _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
            _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
            _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
        }
        SubShader {
            Tags { "RenderType"="Opaque" }
            LOD 200
            
            CGPROGRAM
            // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
            #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

            // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
            #pragma target 3.0

            sampler2D _MainTex;

            struct Input {
                float2 uv_MainTex;
            };

            half _Glossiness;
            half _Metallic;
            fixed4 _Color;

            void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
                // Albedo comes from a texture tinted by color
                fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
                o.Albedo = c.rgb;
                // Metallic and smoothness come from slider variables
                o.Metallic = _Metallic;
                o.Smoothness = _Glossiness;
                o.Alpha = c.a;
            }
            ENDCG
        } 
        FallBack "Diffuse"
    }

    在此基础上参照UnityPBSLighting.cginc中的源代码将光照模型以自定义光照模型的形式暴露出来,得到下面等价shader:

    (这里需要注意的是,一般自定义光照模型只要实现一个 Lightning+自定义光照模型名称 的函数即可,但是对于PBS shader来说,要实现自定义光照模型还要多写一个 Lightning+自定义光照模型名称_GI 的函数。)

    Shader "Custom/customPBS" {
          Properties {
            _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
            _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
            _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
            _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
        }
        SubShader {
            Tags { "RenderType"="Opaque" "MyReplaceTag"="Other"}
            LOD 200
            
            CGPROGRAM
        
            // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
            #pragma surface surf MyCustomStandard fullforwardshadows

            // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
            #pragma target 3.0
            #include "UnityPBSLighting.cginc"


            inline void LightingMyCustomStandard_GI (
                SurfaceOutputStandard s,
                UnityGIInput data,
                inout UnityGI gi)
            {
                gi = UnityGlobalIllumination (data, s.Occlusion, s.Smoothness, s.Normal);
            }

            inline half4 LightingMyCustomStandard (SurfaceOutputStandard s, half3 viewDir, UnityGI gi)
            {
                s.Normal = normalize(s.Normal);

                half oneMinusReflectivity;
                half3 specColor;
                s.Albedo = DiffuseAndSpecularFromMetallic (s.Albedo, s.Metallic, /*out*/ specColor, /*out*/ oneMinusReflectivity);

                // shader relies on pre-multiply alpha-blend (_SrcBlend = One, _DstBlend = OneMinusSrcAlpha)
                // this is necessary to handle transparency in physically correct way - only diffuse component gets affected by alpha
                half outputAlpha;
                s.Albedo = PreMultiplyAlpha (s.Albedo, s.Alpha, oneMinusReflectivity, /*out*/ outputAlpha);

                half4 c = UNITY_BRDF_PBS (s.Albedo, specColor, oneMinusReflectivity, s.Smoothness, s.Normal, viewDir, gi.light, gi.indirect);
                c.rgb += UNITY_BRDF_GI (s.Albedo, specColor, oneMinusReflectivity, s.Smoothness, s.Normal, viewDir, s.Occlusion, gi);
                c.a = outputAlpha;
                

                return c;
            }


            sampler2D _MainTex;

            struct Input {
                float2 uv_MainTex;
            };

            half _Glossiness;
            half _Metallic;
            fixed4 _Color;

            void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
                // Albedo comes from a texture tinted by color
                fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
                o.Albedo = c.rgb;
                // Metallic and smoothness come from slider variables
                o.Metallic = _Metallic;
                o.Smoothness = _Glossiness;
                o.Alpha = c.a;
            }
            
            
            ENDCG
        } 
        FallBack "Diffuse"
    }

    上面shader和默认shader效果完全一样,但是由于暴露出来光照模型(即上面的LightingMyCustomStandard函数),便使得我们可以在光照模型层次上对其进行修改,实现出自己的变种shader效果。

    例如下面shader,就是在LightingMyCustomStandard中插入一行代码,实现前面图中第三个球的效果:


    Shader "Custom/customPBSAndShowNormalAsColor" {
        Properties {
            _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
            _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
            _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
            _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
        }
        SubShader {
            Tags { "RenderType"="Opaque" }
            LOD 200
            
            CGPROGRAM
        
            // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
            #pragma surface surf MyCustomStandard fullforwardshadows

            // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
            #pragma target 3.0
            #include "UnityPBSLighting.cginc"


            inline void LightingMyCustomStandard_GI (
                SurfaceOutputStandard s,
                UnityGIInput data,
                inout UnityGI gi)
            {
                gi = UnityGlobalIllumination (data, s.Occlusion, s.Smoothness, s.Normal);
            }

            inline half4 LightingMyCustomStandard (SurfaceOutputStandard s, half3 viewDir, UnityGI gi)
            {
                s.Normal = normalize(s.Normal);

                half oneMinusReflectivity;
                half3 specColor;
                s.Albedo = DiffuseAndSpecularFromMetallic (s.Albedo, s.Metallic, /*out*/ specColor, /*out*/ oneMinusReflectivity);

                // shader relies on pre-multiply alpha-blend (_SrcBlend = One, _DstBlend = OneMinusSrcAlpha)
                // this is necessary to handle transparency in physically correct way - only diffuse component gets affected by alpha
                half outputAlpha;
                s.Albedo = PreMultiplyAlpha (s.Albedo, s.Alpha, oneMinusReflectivity, /*out*/ outputAlpha);

                half4 c = UNITY_BRDF_PBS (s.Albedo, specColor, oneMinusReflectivity, s.Smoothness, s.Normal, viewDir, gi.light, gi.indirect);
                c.rgb += UNITY_BRDF_GI (s.Albedo, specColor, oneMinusReflectivity, s.Smoothness, s.Normal, viewDir, s.Occlusion, gi);
                c.a = outputAlpha;
                
                c.rgb*=s.Normal *1.5;//added by wantnon


                return c;
            }

     
            sampler2D _MainTex;

            struct Input {
                float2 uv_MainTex;
            };

            half _Glossiness;
            half _Metallic;
            fixed4 _Color;

            void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
                // Albedo comes from a texture tinted by color
                fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
                o.Albedo = c.rgb;
                // Metallic and smoothness come from slider variables
                o.Metallic = _Metallic;
                o.Smoothness = _Glossiness;
                o.Alpha = c.a;
            }
            
            
            ENDCG
        } 
        FallBack "Diffuse"
    }
     

    当然,如果不需要在光照模型的层次上对unity自带的PBS shader进行定制,是没有必要这么麻烦的。

    比如就拿上面这个customPBS+ShowNormalAsColor来说,其实没必要深入到光照模型层次上去实现,下面shader就可以实现基本相同的效果:

    (其中蓝字是在前面Custom/NewShader基础上新增的语句)

    Shader "Custom/NewShaderAndShowNormalAsColor" {
        Properties {
            _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
            _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
            _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
            _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
        }
        SubShader {
            Tags { "RenderType"="Opaque" }
            LOD 200
            
            CGPROGRAM
            // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
            #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

            // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
            #pragma target 3.0

            sampler2D _MainTex;

            struct Input {
                float2 uv_MainTex;

        float3 worldNormal;//ref: http://wiki.unity3d.com/index.php?title=Shader_Code
            };

            half _Glossiness;
            half _Metallic;
            fixed4 _Color;

            void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
                // Albedo comes from a texture tinted by color
                fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;

          c.rgb*=IN.worldNormal;
                o.Albedo = c.rgb;
                // Metallic and smoothness come from slider variables
                o.Metallic = _Metallic;
                o.Smoothness = _Glossiness;
                o.Alpha = c.a;
            }
            ENDCG
        } 
        FallBack "Diffuse"
    }

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