Chapter8 透明效果——Shader入门精要学习笔记

一、基本概念

在Unity中通常使用两种方法来实现透明效果
- 透明度测试（无法达到真正的半透明效果）
- 透明度混合（关闭了深度写入）

透明度测试

基本原理：设置一个阈值，只要片元的透明度小于阈值，就会被舍弃（不会进行任何处理，也不会对颜色缓冲造成影响）；否则，就会按照普通的不透明物体来处理（进行深度测试、深度写入等）
效果极端，要么透明，要么完全不透明

透明度混合

基本原理：使用当前片元的透明度作为混合因子，与已经存储在颜色缓冲中的颜色值进行混合，得到新的颜色
需要关闭深度写入，但没有关闭深度测试——深度缓冲是只读的
- 为什么关闭深度写入：如果开启，半透明物体在不透明物体前面时，半透明物体会挡住不透明物体，实现不了半透明效果
可以实现半透明效果

二、渲染顺序

对于半透明物体和不透明物体，因为关闭了深度写入，所以应该在不透明物体渲染完后再渲染半透明物体
对于两个半透明物体，应该先渲染远处的，再渲染近处的（不准确）

1.渲染引擎的方法

先渲染所有不透明物体，并开启他们的深度测试和深度写入
把半透明物体按他们的距离摄像机的远近进行排序，再按照从后往前的顺序渲染，开启深度测试，关闭深度写入
- 会有更加复杂的重叠情况，排序困难

2.Unity的渲染顺序

使用SubShader的 Queue 标签来决定我们的模型将归于哪个渲染队列，使用整数索引来表示每个渲染队列，号小的越早被渲染
如果想要通过透明度测试来实现效果，代码：

SubShader{
	Tags{ "Queue" = "AlphaTest"}
	Pass{...}
	}

如果想使用透明度混合

SubShader{
	Tags{ "Queue" = "Transparent"}
	Pass{
		ZWrite Off //关闭深度写入
		...}
	}

三、透明度测试

基本原理：设置一个阈值，只要片元的透明度小于阈值，就会被舍弃（不会进行任何处理，也不会对颜色缓冲造成影响）；否则，就会按照普通的不透明物体来处理（进行深度测试、深度写入等）
通常会在片元着色器中使用 clip函数 进行透明度测试
- 如果给定参数的任何一个分量是负数，则会舍弃当前像素的输出颜色

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

Shader "Custom/Chapter8-AlphaTest"
{
   Properties
   {
		_Color ("Main Tint", Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white"{}
		_Cutoff ("Alpha Cutoff", Range(0,1)) = 0.5//用于决定我们调用clip进行透明度测试时使用的判决条件
   }
   SubShader
   {
		Tags {"Queue" = "AlphaTest" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "TransparentCutoff"}
		Pass
		{
			Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}
				CGPROGRAM

				#pragma vertex vert 
				#pragma fragment frag

				#include "Lighting.cginc"

				fixed4 _Color;
				sampler2D _MainTex;
				float4 _MainTex_ST;
				fixed _Cutoff;

				struct a2v
				{
					float4 vertex : POSITION;
					float3 normal : NORMAL;
					float4 texcoord : TEXCOORD0;
				};
				struct v2f
				{
					float4 pos : SV_POSITION;
					float3 worldNormal : TEXCOORD0;
					float3 worldPos : TEXCOORD1;
					float2 uv : TEXCOORD2;
				};

				v2f vert(a2v v)
				{
					v2f o;
					o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
					o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
					o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
					o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);

					return o;
				}
				fixed4 frag(v2f i) : SV_Target 
				{
					fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
					fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));

					fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);

					//透明度测试
					clip(texColor.a - _Cutoff);
					fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
					fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
					fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal,worldLightDir));

					return fixed4(ambient + diffuse, 1.0);
				}
				ENDCG
		}
   }
   FallBack "Transparent/Cutout/VertexLit"
}

_Cutoff (“Alpha Cutoff”, Range(0,1)) = 0.5 用于决定我们调用clip进行透明度测试时使用的判决条件
clip(texColor.a - _Cutoff); 做透明度测试，判断texColor.a - _Cutoff是否为负数，负数的纹理颜色为全透明

四、透明度混合

基本原理：使用当前片元的透明度作为混合因子，与已经存储在颜色缓冲中的颜色值进行混合，得到新的颜色
需要使用Unity提供的混合命令 Blend
本节中使用的是Blend SrcFactor DstFactor来进行混合，将源颜色混合因子SrcFactor设为SrcAlpha，目标颜色混合因子设为OneMinusSrcAlpha
- 即混合后的新颜色为
- $DstColor_{new}$ = SrcAlpha × SrcColor + (1-SrcAlpha) × $DstColor_{old}$
ZWrite Off 关闭深度写入

Shader "Custom/Chapter8-AlphaBlend"
{
	Properties
	{
		_Color ("Main Tint", Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white"{}
		_AlphaScale ("Alpha Scale", Range(0,1)) = 1
	}
	SubShader
	{
		Tags {"Queue" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "Transparent"}
		Pass
		{
			Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}

			ZWrite Off
			Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

			CGPROGRAM

			#pragma vertex vert 
			#pragma fragment frag 

			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed _AlphaScale;

				struct a2v
				{
					float4 vertex : POSITION;
					float3 normal : NORMAL;
					float4 texcoord : TEXCOORD0;
				};
				struct v2f
				{
					float4 pos : SV_POSITION;
					float3 worldNormal : TEXCOORD0;
					float3 worldPos : TEXCOORD1;
					float2 uv : TEXCOORD2;
				};

				v2f vert(a2v v)
				{
					v2f o;
					o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
					o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
					o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
					o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);

					return o;
				}
				fixed4 frag(v2f i) : SV_Target 
				{
					fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
					fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));

					fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);

					//透明度混合
					fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
					fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
					fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal,worldLightDir));


					return fixed4(ambient + diffuse, texColor.a * _AlphaScale);
				}
			ENDCG
		}
	}
	FallBack "Transparent/VertexLit"
}

在这里插入图片描述

五、开启深度写入的半透明效果

对于复杂网格的半透明处理，避免错误排序
方法：使用 两个Pass 来渲染模型
- 第一个开启深度写入，但不输出颜色，仅仅为了把该模型的深度值写入深度缓存中
- 第二个Pass 进行正常的透明度混合，根据第一个Pass，可以进行像素级别的深度排序
- 缺点是多个Pass会造成性能的影响

Shader "Custom/Chapter8-AlphaBlend"
{
	Properties
	{
		_Color ("Main Tint", Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white"{}
		_AlphaScale ("Alpha Scale", Range(0,1)) = 1
	}
	SubShader
	{
		Tags {"Queue" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "Transparent"}
		Pass
		{
			ZWrite On 
			ColorMask 0
		}
		Pass
		{
			Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}

			ZWrite Off
			Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

			CGPROGRAM

			#pragma vertex vert 
			#pragma fragment frag 

			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed _AlphaScale;

				struct a2v
				{
					float4 vertex : POSITION;
					float3 normal : NORMAL;
					float4 texcoord : TEXCOORD0;
				};
				struct v2f
				{
					float4 pos : SV_POSITION;
					float3 worldNormal : TEXCOORD0;
					float3 worldPos : TEXCOORD1;
					float2 uv : TEXCOORD2;
				};

				v2f vert(a2v v)
				{
					v2f o;
					o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
					o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
					o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
					o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);

					return o;
				}
				fixed4 frag(v2f i) : SV_Target 
				{
					fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
					fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));

					fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);

					//透明度混合
					fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
					fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
					fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal,worldLightDir));


					return fixed4(ambient + diffuse, texColor.a * _AlphaScale);
				}
			ENDCG
		}
	}
	FallBack "Transparent/VertexLit"
}

与透明度混合代码几乎一致，只是增加了一个Pass

Pass
		{
			ZWrite On 
			ColorMask 0
		}

ZWrite On 打开深度写入，ColorMask 0 意味着Pass不写入任何颜色通道，不会输出任何颜色

六、ShaderLab的混合命令

混合与两个操作数有关：源颜色（SourceColor）和目标颜色（DestinationColor）
- 源颜色指片元着色器产生的颜色 S
- 目标颜色指从颜色缓冲中读取到的颜色值 D
- 混合后的颜色 O
- 包含了 RGBA四个颜色通道

1.混合等式和参数

将S和D进行混合的等式——混合等式，需要两个，一个用于混合RGB，一个用于混合A
设置混合状态时，即设置等式中的 “操作” 和 “因子”
- 一共有两个等式（分别用于混合RGB和A）
- 一个等式里有两个因子（一个与S相乘，一个与D相乘）

在这里插入图片描述

第一个命令中只有两个因子——RGB和A通道用相同的两个因子

混合因子可以是哪些值呢？

2.混合操作

可以使用 BlendOp BlendOperation命令
当使用Min和Max操作时，混合因子不起作用的

3.常见的混合类型（效果）

在这里插入图片描述

七、双面渲染的透明效果

观察到其内部结构
可以使用Cull指令来控制需要剔除哪个面的渲染图元
- Back：背对相机的渲染图元不会被渲染
- Front：朝向相机的渲染图元不会被渲染
- Off：关闭剔除功能

Cull Back | Front | Off

1.透明度测试的双面渲染

在Pass中使用 Cull Off 来关闭剔除功能即可
只在 AlphaTest.shader 里Pass中加一句 Cull Off

2.透明度混合的双面渲染

因为关闭了深度写入，如果直接加 Cull Off 的话会造成前后面混乱
所以，写了两个Pass （与AlphaBlend.shader一样）
- 只在Pass中，第一个Pass只渲染背面，添加了Cull Front；第二个只渲染正面添加了Cull Back
- SubShader是会按照顺序执行Pass