Unity Standard Shader 解析（一）之ForwardBase（标准版）

一、ForwardBase

		//  Base forward pass (directional light, emission, lightmaps, ...)
        Pass
        {
            Name "FORWARD"
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

            Blend [_SrcBlend] [_DstBlend]
            ZWrite [_ZWrite]

            CGPROGRAM
            #pragma target 3.0

            // -------------------------------------

            #pragma shader_feature_local _NORMALMAP
            #pragma shader_feature_local _ _ALPHATEST_ON _ALPHABLEND_ON _ALPHAPREMULTIPLY_ON
            #pragma shader_feature_fragment _EMISSION
            #pragma shader_feature_local _METALLICGLOSSMAP
            #pragma shader_feature_local_fragment _DETAIL_MULX2
            #pragma shader_feature_local_fragment _SMOOTHNESS_TEXTURE_ALBEDO_CHANNEL_A
            #pragma shader_feature_local_fragment _SPECULARHIGHLIGHTS_OFF
            #pragma shader_feature_local_fragment _GLOSSYREFLECTIONS_OFF
            #pragma shader_feature_local _PARALLAXMAP

            #pragma multi_compile_fwdbase
            #pragma multi_compile_fog
            #pragma multi_compile_instancing
            // Uncomment the following line to enable dithering LOD crossfade. Note: there are more in the file to uncomment for other passes.
            //#pragma multi_compile _ LOD_FADE_CROSSFADE

            #pragma vertex vertBase
            #pragma fragment fragBase
            #include "UnityStandardCoreForward.cginc"

            ENDCG
        }

引用了UnityStandardCoreForward.cginc中的vertBase和fragBase

以下是UnityStandardCoreForward.cginc的源码，

// Unity built-in shader source. Copyright (c) 2016 Unity Technologies. MIT license (see license.txt)

#ifndef UNITY_STANDARD_CORE_FORWARD_INCLUDED
#define UNITY_STANDARD_CORE_FORWARD_INCLUDED

#if defined(UNITY_NO_FULL_STANDARD_SHADER)
#   define UNITY_STANDARD_SIMPLE 1
#endif

#include "UnityStandardConfig.cginc"

#if UNITY_STANDARD_SIMPLE
    #include "UnityStandardCoreForwardSimple.cginc"
    VertexOutputBaseSimple vertBase (VertexInput v) { return vertForwardBaseSimple(v); }
    VertexOutputForwardAddSimple vertAdd (VertexInput v) { return vertForwardAddSimple(v); }
    half4 fragBase (VertexOutputBaseSimple i) : SV_Target { return fragForwardBaseSimpleInternal(i); }
    half4 fragAdd (VertexOutputForwardAddSimple i) : SV_Target { return fragForwardAddSimpleInternal(i); }
#else
    #include "UnityStandardCore.cginc"
     //------关键代码--------
    VertexOutputForwardBase vertBase (VertexInput v) { return vertForwardBase(v); }
    VertexOutputForwardAdd vertAdd (VertexInput v) { return vertForwardAdd(v); }
     //------关键代码--------
    half4 fragBase (VertexOutputForwardBase i) : SV_Target { return fragForwardBaseInternal(i); }
    half4 fragAdd (VertexOutputForwardAdd i) : SV_Target { return fragForwardAddInternal(i); }
#endif

#endif // UNITY_STANDARD_CORE_FORWARD_INCLUDED

UNITY_STANDARD_SIMPLE 属于 ‌简化版前向渲染路径‌ 的标识符，指令区分两种实现：

简化版‌：减少复杂的光照计算（如间接光照、高光反射的精细处理），适用于移动端或低性能设备‌
标准版‌：完整支持基于物理的渲染（PBR）特性，包含金属度、粗糙度等完整材质属性计算‌

先看标准版的

引用了UnityStandardCore.cginc的vertForwardBase和fragForwardBaseInternal

二、vertForwardBase


// ------------------------------------------------------------------
//  Base forward pass (directional light, emission, lightmaps, ...)

struct VertexOutputForwardBase
{
    UNITY_POSITION(pos);
    float4 tex                            : TEXCOORD0;
    float4 eyeVec                         : TEXCOORD1;    // eyeVec.xyz | fogCoord
    float4 tangentToWorldAndPackedData[3] : TEXCOORD2;    // [3x3:tangentToWorld | 1x3:viewDirForParallax or worldPos]
    half4 ambientOrLightmapUV             : TEXCOORD5;    // SH or Lightmap UV
    UNITY_LIGHTING_COORDS(6,7)

    // next ones would not fit into SM2.0 limits, but they are always for SM3.0+
#if UNITY_REQUIRE_FRAG_WORLDPOS && !UNITY_PACK_WORLDPOS_WITH_TANGENT
    float3 posWorld                     : TEXCOORD8;
#endif

    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
    UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
};

// 顶点着色器函数：将输入的顶点数据转换为前向渲染所需的输出结构
VertexOutputForwardBase vertForwardBase (VertexInput v)
{
    // 设置实例ID（用于GPU实例化渲染）
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);
    
    // 声明输出结构变量
    VertexOutputForwardBase o;
    
    // 初始化输出结构中的各个字段（宏内部会设置默认值）
    UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(VertexOutputForwardBase, o);
    
    // 将输入的实例ID传递给输出（保证实例数据一致）
    UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(v, o);
    
    // 初始化立体渲染相关数据（用于VR或立体渲染）
    UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o);

    // 计算世界空间位置：将顶点从对象空间转换到世界空间
    float4 posWorld = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
    
    // 如果要求片元阶段需要世界空间位置数据
    #if UNITY_REQUIRE_FRAG_WORLDPOS
        // 如果需要将世界位置打包到切线数据的w分量中（节省传输带宽）
        #if UNITY_PACK_WORLDPOS_WITH_TANGENT
            o.tangentToWorldAndPackedData[0].w = posWorld.x;
            o.tangentToWorldAndPackedData[1].w = posWorld.y;
            o.tangentToWorldAndPackedData[2].w = posWorld.z;
        #else
            // 否则直接将世界位置赋值给输出结构的posWorld变量（仅XYZ分量）
            o.posWorld = posWorld.xyz;
        #endif
    #endif

    // 将顶点从对象空间转换到裁剪空间，用于后续屏幕映射
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

    // 计算纹理坐标
    o.tex = TexCoords(v);
    
    // 计算视线向量：从世界空间摄像机位置指向顶点位置，并进行归一化
    o.eyeVec.xyz = NormalizePerVertexNormal(posWorld.xyz - _WorldSpaceCameraPos);
    
    // 计算世界空间法线：将顶点法线从对象空间转换为世界空间
    float3 normalWorld = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
    
    #ifdef _TANGENT_TO_WORLD
        // 如果定义了将切线转换到世界空间，则计算切线方向
        float4 tangentWorld = float4(UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz), v.tangent.w);

        // 计算切线到世界空间的变换矩阵，依据法线、切线方向和切线的符号（w分量）
        float3x3 tangentToWorld = CreateTangentToWorldPerVertex(normalWorld, tangentWorld.xyz, tangentWorld.w);
        
        // 将变换矩阵的各行存入输出结构的tangentToWorldAndPackedData数组中（XYZ分量）
        o.tangentToWorldAndPackedData[0].xyz = tangentToWorld[0];
        o.tangentToWorldAndPackedData[1].xyz = tangentToWorld[1];
        o.tangentToWorldAndPackedData[2].xyz = tangentToWorld[2];
    #else
        // 如果没有使用切线到世界空间的转换，直接将输出中第三组数据设置为法线
        o.tangentToWorldAndPackedData[0].xyz = 0;
        o.tangentToWorldAndPackedData[1].xyz = 0;
        o.tangentToWorldAndPackedData[2].xyz = normalWorld;
    #endif

    // 为阴影接收做数据传递：将第二套UV（v.uv1）传递给输出，用于光照和阴影计算
    UNITY_TRANSFER_LIGHTING(o, v.uv1);

    // 计算环境光或光照贴图的UV（用于全局光照信息）
    o.ambientOrLightmapUV = VertexGIForward(v, posWorld, normalWorld);

    #ifdef _PARALLAXMAP
        // 如果启用了视差贴图效果，则进行切线空间旋转（通常用于计算视差效果）
        TANGENT_SPACE_ROTATION;
        // 计算视差用的视线方向（在物体空间），通过旋转矩阵转换
        half3 viewDirForParallax = mul(rotation, ObjSpaceViewDir(v.vertex));
        // 将视差计算结果存入切线数据的w分量中（覆盖之前的打包数据）
        o.tangentToWorldAndPackedData[0].w = viewDirForParallax.x;
        o.tangentToWorldAndPackedData[1].w = viewDirForParallax.y;
        o.tangentToWorldAndPackedData[2].w = viewDirForParallax.z;
    #endif

    // 传递雾效信息：结合雾效和视线数据，计算最终雾信息
    UNITY_TRANSFER_FOG_COMBINED_WITH_EYE_VEC(o, o.pos);
    
    // 返回最终的顶点输出数据
    return o;
}

三、fragForwardBaseInternal

half4 fragForwardBaseInternal (VertexOutputForwardBase i)
{
    // 应用抖动交叉淡化（用于消除伪影或提高过渡平滑性），基于屏幕空间位置 i.pos.xy
    UNITY_APPLY_DITHER_CROSSFADE(i.pos.xy);

    // 设置片元阶段所需的局部变量结构 s（从顶点到片元传递的光照和材质数据）
    FRAGMENT_SETUP(s)

    // 设置实例ID，用于支持GPU实例化渲染
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(i);
    // 设置立体渲染后处理的眼睛索引（用于VR或立体渲染）
    UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(i);

    // 获取主光源（通常为场景中的定向光）
    UnityLight mainLight = MainLight ();
    // 计算主光源对当前片元的光照衰减，基于世界空间位置 s.posWorld
    UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, s.posWorld);

    // 计算遮蔽值，使用片元的纹理坐标 i.tex.xy（例如环境遮蔽、AO等效果）
    half occlusion = Occlusion(i.tex.xy);
    // 计算全局光照（GI）信息，传入基本材质参数、遮蔽值、环境/光照贴图UV、衰减值和主光源信息
    UnityGI gi = FragmentGI (s, occlusion, i.ambientOrLightmapUV, atten, mainLight);

    // 使用基于物理的BRDF计算片元颜色
    // 参数包括漫反射色 s.diffColor、镜面反射色 s.specColor、反射率的补值 s.oneMinusReflectivity、
    // 表面光滑度 s.smoothness、世界空间法线 s.normalWorld、观察方向（负的眼向量 -s.eyeVec），
    // 以及来自主光源和间接光照的光照信息
    half4 c = UNITY_BRDF_PBS (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.smoothness, s.normalWorld, -s.eyeVec, gi.light, gi.indirect);
    
    // 添加自发光（Emission）效果，基于片元的纹理坐标 i.tex.xy
    c.rgb += Emission(i.tex.xy);

    // 从顶点输出中提取雾效所需的相关数据（例如雾的深度信息）
    UNITY_EXTRACT_FOG_FROM_EYE_VEC(i);
    // 根据计算出的雾坐标 _unity_fogCoord 对片元颜色进行雾效混合
    UNITY_APPLY_FOG(_unity_fogCoord, c.rgb);
    
    // 调用 OutputForward 函数输出最终的片元颜色，同时传递 alpha 值
    return OutputForward (c, s.alpha);
}