Unity Shader入门精要

业内专业人士撰写，业界人士罗盛誉（风宇冲）和宣雨松(MOMO)鼎力推荐的目前Unity Shader学习的绝 佳参考书 相比与国内市场已有的介绍相关内容的书籍和资料来说，本书有一些独有的特色： (1)内容丰富。填补了Unity Shader和渲染流水线之间的知识鸿沟，对Unity中一些渲染机制的工作原理进行详细剖析，帮助读者解决“是什么”“为什么”“怎么做”这三个基本问题。本书配合大量实例，来让读者在实践中逐渐掌握Unity Shader的编写。 (2)结构连贯。在内容编排上破费心思，从基础到进阶再到深入，解决读者长期以来的学习烦恼。 (3)充分面向初学者。在本书的编写过程中，我们一直在问自己，这么写到底读者能不能看懂？为此，提供了大量的图示配合以文字说明，并在一些章节后提供了“答疑解惑”小节来解释那些含糊不清而初学者又经常疑问的问题。 (4)包含了Unity 5在渲染方面的新内容。如多次介绍Unity 5中的新工具帧调试器（Frame Debugger），并借助该工具的帮助来理解Unity中的渲染过程。 (5)补充了大量延伸阅读资料。在本书一些章节后提供了“扩展阅读”小节，让那些希望更加深入学习某个方向的读者可以在提供的资料中找到更多的学习内容。

本书不仅要教会读者如何使用Unity Shader，更重要的是要帮助读者学习Unity中的一些渲染机制以及如何使用Unity Shader实现各种自定义的渲染效果，希望这本书可以为读者打开一扇新的大门，让读者离制作心目中杰出游戏的心愿更近一步。 本书的主要内容为：第1章讲解了学习Unity Shader应该从哪里着手；第2章讲解了现代GPU是如何实现整个渲染流水线的，这对理解Shader的工作原理有着非常重要的作用；第3章讲解Unity Shader的实现原理和基本语法；第4章学习Shader所需的数学知识，帮助读者克服学习Unity Shader时遇到的数学障碍；第5章通过实现一个简单的顶点/片元着色器案例，讲解常用的辅助技巧等；第6章学习如何在Shader中实现基本的光照模型；第7章讲述了如何在Unity Shader中使用法线纹理、遮罩纹理等基础纹理；第8章学习如何实现透明度测试和透明度混合等透明效果；第9章讲解复杂的光照实现；第10章讲解在Unity Shader中使用立方体纹理、渲染纹理和程序纹理等高 级纹理；第11章学习用Shader实现纹理动画、顶点动画等动态效果；第12章讲解了屏幕后处理效果的屏幕特效；第13章使用深度纹理和法线纹理实现更多屏幕特效；第14章讲解非真实感渲染的算法，如卡通渲染、素描风格的渲染等；第15章讲解噪声在游戏渲染中的应用；第16章介绍了常见的优化技巧；第17章介绍用表面着色器实现渲染；第18章讲解基于物理渲染的技术；第19章讲解在升级Unity 5时可能出现的问题，并给出解决方法；第20章介绍许多非常有价值的学习资料，以帮助读者进行更深入的学习。 本书适合Unity初学者、游戏开 发者、程序员，也可以作为大专院校相关专业师生的学习用书，以及培训学校的培训教材。

一只喜欢计算机图形的程序媛。上海交通大学软件学院研究生，爱好写shader，喜欢一切用计算机绘画的技术。

第1篇 基础篇
第1章 欢迎来到Shader的世界 2
1.1 程序员的三大浪漫 2
1.2 本书结构 3
第2章 渲染流水线 5
2.1 综述 5
2.1.1 什么是流水线 5
2.1.2 什么是渲染流水线 6
2.2 CPU和GPU之间的通信 7
2.2.1 把数据加载到显存中 7
2.2.2 设置渲染状态 8
2.2.3 调用Draw Call 8
2.3 GPU流水线 9
2.3.1 概述 9
2.3.2 顶点着色器 10
2.3.3 裁剪 11
2.3.4 屏幕映射 11
2.3.5 三角形设置 12
2.3.6 三角形遍历 13
2.3.7 片元着色器 13
2.3.8 逐片元操作 14
2.3.9 总结 17
2.4 一些容易困惑的地方 18
2.4.1 什么是OpenGL/DirectX 18
2.4.2 什么是HLSL、GLSL、CG 19
2.4.3 什么是Draw Call 20
2.4.4 什么是固定管线渲染 22
2.5 那么，你明白什么是Shader了吗 23
2.6 扩展阅读 23
第3章 Unity Shader基础 24
3.1 Unity Shader概述 25
3.1.1 一对好兄弟：材质和Unity Shader 25
3.1.2 Unity中的材质 26
3.1.3 Unity中的Shader 26
3.2 Unity Shader的基础：ShaderLab 28
3.3 Unity Shader的结构 29
3.3.1 给我们的Shader起个名字 29
3.3.2 材质和Unity Shader的桥梁：Properties 29
3.3.3 重量级成员：SubShader 31
3.3.4 留一条后路：Fallback 33
3.3.5 ShaderLab还有其他的语义吗 33
3.4 Unity Shader的形式 33
3.4.1 Unity的宠儿：表面着色器 34
3.4.2 最聪明的孩子：顶点/片元着色器 35
3.4.3 被抛弃的角落：固定函数着色器 35
3.4.4 选择哪种Unity Shader形式 36
3.5 本书使用的Unity Shader形式 36
3.6 答疑解惑 36
3.6.1 Unity Shader !=真正的Shader 36
3.6.2 Unity Shader和CG/HLSL之间的关系 37
3.6.3 我可以使用GLSL来写吗 38
3.7 扩展阅读 38
第4章 学习Shader所需的数学基础 39
4.1 背景：农场游戏 39
4.2 笛卡儿坐标系 40
4.2.1 二维笛卡儿坐标系 40
4.2.2 三维笛卡儿坐标系 41
4.2.3 左手坐标系和右手坐标系 42
4.2.4 Unity使用的坐标系 44
4.2.5 练习题 45
4.3 点和矢量 45
4.3.1 点和矢量的区别 46
4.3.2 矢量运算 47
4.3.3 练习题 53
4.4 矩阵 54
4.4.1 矩阵的定义 54
4.4.2 和矢量联系起来 55
4.4.3 矩阵运算 55
4.4.4 特殊的矩阵 57
4.4.5 行矩阵还是列矩阵 60
4.4.6 练习题 61
4.5 矩阵的几何意义：变换 62
4.5.1 什么是变换 62
4.5.2 齐次坐标 63
4.5.3 分解基础变换矩阵 63
4.5.4 平移矩阵 64
4.5.5 缩放矩阵 64
4.5.6 旋转矩阵 65
4.5.7 复合变换 66
4.6 坐标空间 67
4.6.1 为什么要使用这么多不同的坐标空间 68
4.6.2 坐标空间的变换 68
4.6.3 顶点的坐标空间变换过程 72
4.6.4 模型空间 73
4.6.5 世界空间 73
4.6.6 观察空间 75
4.6.7 裁剪空间 77
4.6.8 屏幕空间 83
4.6.9 总结 85
4.7 法线变换 86
4.8 Unity Shader的内置变量（数学篇） 87
4.8.1 变换矩阵 87
4.8.2 摄像机和屏幕参数 88
4.9 答疑解惑 89
4.9.1 使用3×3还是4×4的变换矩阵 89
4.9.2 CG中的矢量和矩阵类型 89
4.9.3 Unity中的屏幕坐标：omputeScreenPos/VPOS/WPOS 90
4.10 扩展阅读 93
4.11 练习题答案 93
第2篇 初级篇
第5章 开始Unity Shader学习之旅 100
5.1 本书使用的软件和环境 100
5.2 一个最简单的顶点/片元着色器 100
5.2.1 顶点/片元着色器的基本结构 101
5.2.2 模型数据从哪里来 103
5.2.3 顶点着色器和片元着色器之间如何通信 104
5.2.4 如何使用属性 105
5.3 强大的援手：Unity提供的内置文件和变量 107
5.3.1 内置的包含文件 107
5.3.2 内置的变量 109
5.4 Unity提供的CG/HLSL语义 109
5.4.1 什么是语义 109
5.4.2 Unity支持的语义 110
5.4.3 如何定义复杂的变量类型 110
5.5 程序员的烦恼：Debug 111
5.5.1 使用假彩色图像 111
5.5.2 利用神 器：Visual Studio 113
5.5.3 最新利器：帧调试器 113
5.6 小心：渲染平台的差异 115
5.6.1 渲染纹理的坐标差异 115
5.6.2 Shader的语法差异 116
5.6.3 Shader的语义差异 117
5.6.4 其他平台差异 117
5.7 Shader整洁之道 117
5.7.1 float、half还是fixed 117
5.7.2 规范语法 118
5.7.3 避免不必要的计算 118
5.7.4 慎用分支和循环语句 119
5.7.5 不要除以0 119
5.8 扩展阅读 120
第6章 Unity中的基础光照 121
6.1 我们是如何看到这个世界的 121
6.1.1 光源 121
6.1.2 吸收和散射 122
6.1.3 着色 122
6.1.4 BRDF光照模型 123
6.2 标准光照模型 123
6.2.1 环境光 123
6.2.2 自发光 124
6.2.3 漫反射 124
6.2.4 高光反射 124
6.2.5 逐像素还是逐顶点 125
6.2.6 总结 125
6.3 Unity中的环境光和自发光 126
6.4 在Unity Shader中实现漫反射光照模型 126
6.4.1 实践：逐顶点光照 126
6.4.2 实践：逐像素光照 129
6.4.3 半兰伯特模型 130
6.5 在Unity Shader中实现高光反射光照模型 131
6.5.1 实践：逐顶点光照 132
6.5.2 实践：逐像素光照 134
6.5.3 Blinn-Phong光照模型 135
6.6 召唤神龙：使用Unity内置的函数 136
第7章 基础纹理 139
7.1 单张纹理 140
7.1.1 实践 140
7.1.2 纹理的属性 142
7.2 凹凸映射 146
7.2.1 高度纹理 146
7.2.2 法线纹理 146
7.2.3 实践 148
7.2.4 Unity中的法线纹理类型 154
7.3 渐变纹理 155
7.4 遮罩纹理 158
7.4.1 实践 159
7.4.2 其他遮罩纹理 161
第8章 透明效果 162
8.1 为什么渲染顺序很重要 163
8.2 Unity Shader的渲染顺序 164
8.3 透明度测试 165
8.4 透明度混合 169
8.5 开启深度写入的半透明效果 171
8.6 ShaderLab的混合命令 173
8.6.1 混合等式和参数 173
8.6.2 混合操作 174
8.6.3 常见的混合类型 175
8.7 双面渲染的透明效果 176
8.7.1 透明度测试的双面渲染 176
8.7.2 透明度混合的双面渲染 176
第3篇 中级篇
第9章 更复杂的光照 180
9.1 Unity的渲染路径 180
9.1.1 前向渲染路径 182
9.1.2 顶点照明渲染路径 185
9.1.3 延迟渲染路径 186
9.1.4 选择哪种渲染路径 188
9.2 Unity的光源类型 188
9.2.1 光源类型有什么影响 189
9.2.2 在前向渲染中处理不同的光源类型 190
9.3 Unity的光照衰减 195
9.3.1 用于光照衰减的纹理 196
9.3.2 使用数学公式计算衰减 196
9.4 Unity的阴影 196
9.4.1 阴影是如何实现的 197
9.4.2 不透明物体的阴影 198
9.4.3 使用帧调试器查看阴影绘制过程 202
9.4.4 统一管理光照衰减和阴影 204
9.4.5 透明度物体的阴影 206
9.5 本书使用的标准Unity Shader 209
第10章 高级纹理 210
10.1 立方体纹理 210
10.1.1 天空盒子 210
10.1.2 创建用于环境映射的立方体纹理 212
10.1.3 反射 213
10.1.4 折射 215
10.1.5 菲涅耳反射 217
10.2 渲染纹理 219
10.2.1 镜子效果 219
10.2.2 玻璃效果 220
10.2.3 渲染纹理 vs. GrabPass 224
10.3 程序纹理 225
10.3.1 在Unity中实现简单的程序纹理 225
10.3.2 Unity的程序材质 228
第11章 让画面动起来 230
11.1 Unity Shader中的内置变量（时间篇） 230
11.2 纹理动画 230
11.2.1 序列帧动画 230
11.2.2 滚动的背景 233
11.3 顶点动画 234
11.3.1 流动的河流 234
11.3.2 广告牌 236
11.3.3 注意事项 239
第4篇 高级篇
第12章 屏幕后处理效果 244
12.1 建立一个基本的屏幕后处理脚本系统 244
12.2 调整屏幕的亮度、饱和度和对比度 246
12.3 边缘检测 249
12.3.1 什么是卷积 249
12.3.2 常见的边缘检测算子 249
12.3.3 实现 250
12.4 高斯模糊 253
12.4.1 高斯滤波 253
12.4.2 实现 254
12.5 Bloom效果 259
12.6 运动模糊 263
12.7 扩展阅读 266
第13章 使用深度和法线纹理 267
13.1 获取深度和法线纹理 267
13.1.1 背后的原理 267
13.1.2 如何获取 269
13.1.3 查看深度和法线纹理 271
13.2 再谈运动模糊 272
13.3 全局雾效 276
13.3.1 重建世界坐标 276
13.3.2 雾的计算 278
13.3.3 实现 278
13.4 再谈边缘检测 283
13.5 扩展阅读 287
第14章 非真实感渲染 288
14.1 卡通风格的渲染 288
14.1.1 渲染轮廓线 288
14.1.2 添加高光 289
14.1.3 实现 290
14.2 素描风格的渲染 293
14.3 扩展阅读 296
14.4 参考文献 297
第15章 使用噪声 298
15.1 消融效果 298
15.2 水波效果 302
15.3 再谈全局雾效 305
15.4 扩展阅读 309
15.5 参考文献 309
第16章 Unity中的渲染优化技术 310
16.1 移动平台的特点 310
16.2 影响性能的因素 311
16.3 Unity中的渲染分析工具 312
16.3.1 认识Unity 5的渲染统计窗口 312
16.3.2 性能分析器的渲染区域 313
16.3.3 再谈帧调试器 313
16.3.4 其他性能分析工具 314
16.4 减少draw call数目 314
16.4.1 动态批处理 315
16.4.2 静态批处理 316
16.4.3 共享材质 318
16.4.4 批处理的注意事项 318
16.5 减少需要处理的顶点数目 319
16.5.1 优化几何体 319
16.5.2 模型的LOD技术 319
16.5.3 遮挡剔除技术 320
16.6 减少需要处理的片元数目 320
16.6.1 控制绘制顺序 320
16.6.2 时刻警惕透明物体 321
16.6.3 减少实时光照和阴影 321
16.7 节省带宽 322
16.7.1 减少纹理大小 322
16.7.2 利用分辨率缩放 323
16.8 减少计算复杂度 323
16.8.1 Shader的LOD技术 323
16.8.2 代码方面的优化 323
16.8.3 根据硬件条件进行缩放 324
16.9 扩展阅读 324
第5篇 扩展篇
第17章 Unity的表面着色器探秘 328
17.1 表面着色器的一个例子 328
17.2 编译指令 330
17.2.1 表面函数 330
17.2.2 光照函数 330
17.2.3 其他可选参数 331
17.3 两个结构体 332
17.3.1 数据来源：Input结构体 332
17.3.2 表面属性：SurfaceOutput结构体 333
17.4 Unity背后做了什么 334
17.5 表面着色器实例分析 336
17.6 Surface Shader的缺点 341
第18章 基于物理的渲染 342
18.1 PBS的理论和数学基础 342
18.1.1 光是什么 343
18.1.2 双向反射分布函数（BRDF） 344
18.1.3 漫反射项 345
18.1.4 高光反射项 346
18.1.5 Unity中的PBS实现 347
18.2 Unity 5的Standard Shader 348
18.2.1 它们是如何实现的 348
18.2.2 如何使用Standard Shader 349
18.3 一个更加复杂的例子 352
18.3.1 设置光照环境 352
18.3.2 放置反射探针 355
18.3.3 调整材质 356
18.3.4 线性空间 356
18.4 答疑解惑 357
18.4.1 什么是全局光照 357
18.4.2 什么是伽马校正 358
18.4.3 什么是HDR 361
18.4.4 那么，PBS适合什么样的游戏 362
18.5 扩展阅读 363
18.6 参考文献 363
第19章 Unity 5更新了什么 365
19.1 场景“更亮了” 365
19.2 表面着色器更容易“报错了” 365
19.3 当家做主：自己控制非统一缩放的网格 366
19.4 固定管线着色器逐渐退出舞台 366
第20章 还有更多内容吗 368
20.1 如果你想深入了解渲染的话 368
20.2 世界那么大 369
20.3 参考文献 369