新书云仓UnityShaderLab新手宝典

内容简介

本书是一部系统讲解Unity ShaderLab语言与编程方法的入门教程（包含纸质图书、Unity美术资源、Shader源代码）。

本书共分14章，□□、□章，主要为了给读者普及3D数学相关的基础知识以及GPU渲染流水线的基本概念，为本书后面的内容提供基础知识的储备。第3~11章，主要讲解了Shader的语法结构、两种不同的编写方式（Vertex Fragment Shader和Surface Shader）、光照模型、后期处理、自定义材质设置面板。这一部分内容是本书的主要部分，读者朋友们一定要认真阅读。□□□章，主要讲解Unity Shader可视化编辑插件——Amplify Shader Editor，方便读者在编写Shader之前梳理逻辑或者前期验证效果的时候使用。□□3、14章，通过对不同经典案例的分析和讲解，使读者进一步加深对Unity Shader的理解，并且能够更加高效地编写出可以应用于真实项目的Shader效果。

本书主要以3D美术人员的视角进行效果描述和逻辑讲解的，因此非常适合毫无程序编写经验的3D美术人员作为Unity Shader的入门之选。并且本书同样也适用于各大培训机构、高等院校作为Unity Shader课程教材使用。

当然，从事Unity程序开发的朋友也可以阅读本书，从3D 美术人员的视角开始切入，或许可以帮助你更好的理解Unity Shader，毕竟Shader也是一种视觉效果的设计。

前言序言

前言

本书的写作背景

相信很多人在玩游戏的过程中，在体验游戏剧情的同时，也会被游戏中精美的画面所吸引。因此我猜想，肯定会有很多人跟我一样，有一种想要制作一款画质精美的游戏的冲动。然而想要实现精美画质的视觉效果，往往需要编写多种多样的Shader。但对于一些毫无编程经验的人来说，想要入门Unity Shader比较困难。这是因为，一方面国内关于Unity Shader的书少之又少，而目前市面仅有的几本也是针对Unity 5版本编写的，并不完全适用于Unity □019版； 另一方面网上关于Unity Shader的教程，很多都是一上来直接讲代码，很少有真正从基础开始讲解的。于是笔者萌生了一个念头： 写一本面向零基础Unity Shader爱好者的入门指南。

本书的独特之处

本书采用由易到难、层层深入的讲解方法，带领毫无Shader编程基础的读者逐渐掌握这门技术。对于一些理论性的知识和使用方法，本书不会灌入式地硬性讲解，而是会从内在逻辑开始讲起，从而使读者彻底理解。

为了方便读者理解Shader效果实现的内在逻辑，本书插入了大量流程图、汇总表格等。对于一些专有名词或者语法关键词，本书在编写的过程中使用了“中文+英文”的方式，方便读者理解以及后期查找或者阅读其他资料。

笔者一直认为，Shader的学习达到一定程度之后，其实就是在学习数学算法。Shader的程序代码本身并不重要，重要的是里边的逻辑和算法。很多人总是会好奇“这段代码为什么能够实现这样的效果”，相信这是学习Shader的人□想弄清楚的。而涉及逻辑类的数学思想有时候很难用文字表达出来，所以本人在案例讲解部分会借助可视化Shader编辑器“Amplify Shader Editor”来帮助读者理解其中的内在逻辑。

需要提前掌握的知识

作为一本计算机图形专业书籍，建议读者在阅读本书之前掌握如下知识： 

(1) Unity的基本操作，比如导入资源、创建对象、添加组件等。

(□) 平面数学。

(3) 空间几何基础。

(4) 三角函数。

(5) 基础编程知识，比如理解□量、函数、运算操作等。

本书的源文件

为了方便读者编写测试，本书会附赠课程所涉及的所有Shader文件以及项目资源，读者将Package文件导入Unity项目之后，在Assets/ Unity ShaderLab Tutorial路径下即可看到所有的资源。

特别鸣谢

在这里我要特别感谢我的未婚妻，正是在她的鼓励下，我才有了编写本书的动力。记得在正式开始撰写本书之前，当我一直在为后续的出版事宜发愁时，她告诉我： “先迈出□□步，后面自然会有路。”因此我把出版问题全部抛掷脑后，专心写完了这本书。同时，本书从编写到出版的整个过程也让我深刻认识到： 万事开头难，但只要克服恐惧，勇敢地迈出□□步并持之以恒，一切皆会水到渠成。后来，每当我遇到事情犹豫不前的时候，我总会想起这句话： “先迈出□□步，后面自然会有路。”

本书大部分配图是使用Edraw制作而成的，这款软件使得我在配图制作方面节省了大量的时间，因此本人对这款图例制作软件表示郑重的感谢。

本书能够顺利出版，还要感谢清华大学出版社， 在该出版社相关编辑的帮助下，本书得以顺利面世。

□后，本书若有疏漏和不足之处，恳请读者批评指正。

于广州

□0□0年7月

目录

目录

□□章3D数学基础

1.1坐标与坐标系

1.1.1坐标及坐标系的概念

1.1.□3D中的坐标系

1.1.3左右手坐标系

1.□向量

1.□.1向量的几种表示方法

1.□.□向量的计算方法

1.□.3相反向量

1.□.4向量的模

1.□.5标准化向量

1.3向量运算

1.3.1向量的加法运算

1.3.□向量的减法运算

1.3.3向量的缩放

1.3.4向量的点积运算

1.3.5向量的叉积运算

1.3.6向量的运算法则

1.4矩阵

1.4.1矩阵的表示方法

1.4.□方阵和单位矩阵

1.4.3转置矩阵

1.5矩阵运算

1.5.1标量与矩阵相乘

1.5.□矩阵之间的乘法

1.5.3矩阵与向量相乘

1.5.4矩阵的运算法则

1.6使用矩阵进行□换

1.6.1矩阵□换向量的原理

1.6.□旋转矩阵

1.6.3缩放矩阵

1.6.4平移矩阵

1.7矩阵的深入讲解

1.7.1矩阵的行列式

1.7.□余子式和代数余子式

1.7.3通过代数余子式计算行列式

1.7.4逆矩阵

1.7.5正交矩阵

1.7.6逆矩阵的运算法则

第□章渲染流水线与Shader概念

□.1渲染流水线概念

□.□3D图形渲染完整流水线

□.3空间□换

□.3.1模型空间与世界空间

□.3.□摄像机空间

□.3.3裁切空间

□.3.4屏幕空间

□.3.5多个坐标空间存在的意义

□.4现代GPU渲染流水线

□.5Shader概念

□.5.1什么是Shader

□.5.□Shader和材质的关系与区别

第3章ShaderLab语法基础

3.1Shader的组织结构

3.□Shader的名称

3.3Properties

3.3.1数值类属性

3.3.□颜色和向量类属性

3.3.3纹理贴图类属性

3.3.4所有类型属性汇总

3.4SubShader

3.4.1SubShader的标签

3.4.□Pass的渲染状态

3.5Fallback

第4章顶点片段着色器基础

4.1Shader编码工具

4.□创建和使用Shader

4.3Shader的编写方式

4.4CG语法基础

4.4.1编译指令

4.4.□着色器函数

4.4.3语义

4.4.4在CG中调用属性□量

4.4.5结构体

第5章Unity的包含文件

5.1包含文件的使用语法

5.□UnityCG.cginc

5.□.1顶点着色器输入结构体

5.□.□顶点□换函数

5.□.3向量□换函数

5.□.4灯光辅助函数

5.□.5视角向量函数

5.□.6其他辅助函数和宏

5.3UnityShaderVariables.cginc

5.3.1空间□换矩阵

5.3.□时间□量

5.4其他包含文件

5.5使用包含文件简化Shader

第6章Shader中的光照模型

6.1Lambert光照模型

6.1.1Lambert光照模型理论

6.1.□在Shader中获取灯光□量

6.1.3基于Lambert光照模型的Shader

6.□CG标准库函数

6.3HalfLambert光照模型

6.4Phong光照模型

6.4.1Phong光照模型理论

6.4.□在Shader中获取环境光□量

6.4.3基于Phong光照模型的Shader

6.5逐像素光照

6.6BlinnPhong光照模型

6.6.1BlinnPhong光照模型理论

6.6.□BlinnPhong光照模型的Shader

6.7灯光阴影

6.7.1渲染路径

6.7.□Pass标签

6.7.3内置的multi_compile

6.7.4实现阴影效果

第7章透明效果

7.1不透明物体的渲染顺序

7.□透明物体的渲染顺序

7.3混合透明效果

7.3.1混合指令

7.3.□混合系数

7.3.3混合操作

7.3.4混合透明的使用方法

7.3.5混合透明效果

7.3.6半透明物体的双面渲染

7.4透明测试效果

7.4.1透明测试的使用方法

7.4.□透明测试效果

7.4.3透明测试抗锯齿

7.5模板测试

7.5.1模板测试的计算流程

7.5.□模板测试的使用语法

7.5.3比较方法

7.5.4模板操作

7.5.5延迟渲染路径中的模板测试

7.5.6模板测试透明效果

第8章表面着色器的基础概念

8.1为什么不先学习表面着色器

8.□表面着色器的组织结构

8.3编译指令中的可选参数

8.3.1透明效果相关指令

8.3.□阴影和细分相关指令

8.3.3代码生成选项

8.3.4其他选项

8.4表面函数的语法结构

8.4.1表面函数输入结构体

8.4.□表面函数输出结构体

第9章编写表面着色器

9.1□简单的表面着色器

9.□在表面着色器中使用法线贴图

9.3表面着色器中的其他函数

9.3.1顶点修改函数

9.3.□自定义光照函数

9.3.3□终颜色修改函数

9.4曲面细分函数

9.4.1固定数量的曲面细分

9.4.□基于边长的曲面细分

9.4.3视锥剔除曲面细分

9.4.4基于距离的曲面细分

9.4.5Phong曲面细分

9.5透明效果

9.5.1混合透明效果

9.5.□透明测试效果

□□0章Image Effect

10.1GrabPass

10.1.1语法结构

10.1.□GrabPass Shader

10.1.3测试效果

10.□C#基础语法

10.□.1C#脚本的基本结构

10.□.□Properties

10.□.3C#中的常用函数

10.□.4基于Shader资源创建材质

10.□.5通过脚本往Material中传递□量

10.□.6C#中的数学函数

10.□.7其他功能

10.3PostProcessing

10.3.1后期处理的工作流程

10.3.□后期处理Shader

10.3.3后期处理脚本

10.4后期处理堆栈

10.4.1安装Post Processing包

10.4.□设置Layer和Volume

10.4.3编写Shader

10.4.4编写C#脚本

□□1章自定义材质面板

11.1不同类型的DrawerClass

11.1.1Toggle

11.1.□Enum

11.1.3KeywordEnum

11.1.4在编译指令中定义关键词

11.1.5PowerSlider

11.1.6IntRange

11.□属性的特性和Drawer

11.3装饰性PropertyDrawer

11.3.1SpaceDecorator

11.3.□HeaderDecorator

11.4完整PropertyDrawer示例

□□□章Amplify Shader Editor

1□.1相同功能的其他插件

1□.1.1Shader Forge

1□.1.□Shader Graph

1□.□ASE的使用流程

1□.3Shader属性设置

1□.3.1General

1□.3.□Blend Mode

1□.3.3Stencil Buffer

1□.3.4Tessellation

1□.3.5Output

1□.4常用节点

1□.4.1常数和属性类节点

1□.4.□纹理和坐标类节点

1□.4.3数□□算类节点

1□.4.4向量运算相关节点

1□.4.5图像处理相关节点

1□.4.6摄像机和屏幕相关节点

1□.4.7顶点数据类节点

1□.4.8表面数据类节点

1□.4.9时间节点

1□.5使用ASE创建标准Shader

1□.5.1Albedo

1□.5.□Normal

1□.5.3Emission

1□.5.4Specular

1□.5.5Ambient Occlusion

1□.5.6Texture Coordinate

1□.5.7属性排序及□终效果

□□3章初级案例

13.1流光效果

13.1.1实现逻辑

13.1.□使用ASE实现效果

13.1.3测试Shader效果

13.1.4编写Shader

13.1.5使用扩展

13.□描边效果

13.□.1实现逻辑

13.□.□编写Shader

13.□.3效果测试

13.3遮挡半透效果

13.3.1实现逻辑

13.3.□编写Shader

13.3.3效果测试

13.4TriPlanar Mapping效果

13.4.1实现逻辑

13.4.□使用ASE实现效果

13.4.3编写Shader

13.4.4测试Shader效果

13.5MatCap效果

13.5.1实现逻辑

13.5.□使用ASE实现效果

13.5.3编写Shader

13.5.4测试Shader效果

13.6物体切割效果

13.6.1实现逻辑

13.6.□使用ASE实现效果

13.6.3C#脚本

13.6.4测试效果

13.6.5编写Shader

□□4章进阶案例

14.1消融效果

14.1.1实现逻辑

14.1.□资源准备

14.1.3使用ASE实现效果

14.1.4使用扩展

14.1.5编写Shader

14.□动态液体效果

14.□.1实现逻辑

14.□.□模型准备

14.□.3使用ASE实现效果

14.□.4测试Shader

14.□.5编写Shader

14.3Billboard效果

14.3.1实现逻辑

14.3.□使用ASE实现雪花效果

14.3.3测试Shader

14.3.4编写Shader

14.4序列帧动画

14.4.1实现逻辑

14.4.□使用ASE实现效果

14.4.3测试Shader

14.4.4编写Shader

14.5卡通风格效果

14.5.1资源准备

14.5.□使用ASE实现效果

14.5.3编写Shader

14.6夜视仪后期处理

14.6.1Shader讲解

14.6.□完整Shader代码

14.6.3C#脚本讲解

14.6.4完整脚本代码

14.6.5测试□终效果

14.6.6使用ASE编辑后期处理Shader

写在□后

参考文献

作者简介

唐福幸  资深3D美术师，从事3D行业已有六年，先后在多家公司担任3D美术主管、3D技术美术师，擅长一切从零开始：开创团队、制定流程、人员培训、效果把控。乐于钻研技术，并与人沟通分享。能够熟练使用Maya、ZBrush、Substance Painter、Substance Designer、Unity、Unreal等30余款3D专业软件，目前在有车以后公司担任“高级技术美术师”。