Unity Shader编程完全入门指南：从零到实战 C#

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本文将深入探讨Unity Shader编程的高级技术，包括自定义光照模型、后处理效果、GPU实例化、表面着色器深度应用等，帮助开发者提升渲染效果与性能优化能力。
提示：内容纯个人编写，欢迎评论点赞。

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1. 高级光照模型

1.1 光照模型理论基础

光照模型描述了光与物体表面相互作用的数学表示：

• Phong模型：环境光+漫反射+高光反射

I = I_ambient + I_diffuse + I_specular

• BRDF（双向反射分布函数）：更精确的物理模型

1.2 实现PBR光照

基于物理的渲染（PBR）核心公式：

// Unity Standard BRDF
half4 BRDF_Unity_PBS(half3 diffColor, half3 specColor, half oneMinusReflectivity, half smoothness,float3 normal, float3 viewDir,Light light, InputData data
) {// ... PBR计算过程
}

完整PBR表面着色器示例：

Shader "Custom/PBRShader"
{Properties {_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)_Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0_Smoothness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5_NormalMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" }CGPROGRAM#pragma surface surf Standard fullforwardshadowsstruct Input {float2 uv_NormalMap;};half _Metallic;half _Smoothness;half4 _Color;sampler2D _NormalMap;void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {o.Albedo = _Color.rgb;o.Metallic = _Metallic;o.Smoothness = _Smoothness;o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap));}ENDCG}FallBack "Diffuse"
}

1.3 自定义卡通光照

// 卡通光照函数
void LightingRamp_GI (SurfaceOutput s,UnityGIInput data,inout UnityGI gi
) {// ... 全局光照设置
}void LightingRamp_CS (SurfaceOutput s,half3 viewDir,UnityGI gi,out half4 finalColor
) {// 离散化处理half NdotL = dot(s.Normal, gi.light.dir);half ramp = ceil(NdotL * _RampSteps) / _RampSteps;// 最终颜色finalColor.rgb = s.Albedo * gi.light.color * ramp;finalColor.a = s.Alpha;
}

2. 后处理效果处理

2.1 后处理原理

后处理在渲染完成后对屏幕图像进行处理：

渲染场景 -> 获取屏幕图像 -> 应用后处理Shader -> 输出最终图像

2.2 Bloom效果实现

// Bloom效果Shader核心
half4 frag_bloom (v2f i) : SV_Target
{// 1. 亮度提取half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);half brightness = dot(col.rgb, float3(0.2126, 0.7152, 0.0722));if(brightness < _BloomThreshold)return 0;// 2. 高斯模糊half4 blur = 0;for(int i = 0; i < KERNEL_SIZE; i++) {blur += _BloomKernel[i] * tex2D(_MainTex, i.uv + _BloomOffsets[i]);}// 3. 混合原始图像与模糊图像return col + blur * _BloomIntensity;
}

2.3 屏幕空间环境光遮蔽(SSAO)

// SSAO核心计算
float ComputeAO(float2 uv, float3 viewNormal)
{float ao = 0.0;for(int i = 0; i < SAMPLE_COUNT; i++) {float3 samplePos = GetSamplePosition(uv, i);float sample = depthCompare(samplePos);ao += ComputeAOContribution(viewNormal, samplePos, sample);}return 1.0 - (ao / SAMPLE_COUNT) * _AOIntensity;
}

3. 表面着色器深度应用

3.1 表面函数高级用法

void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) 
{// 世界坐标计算float3 worldPos = IN.worldPos;// 三平面贴图混合float3 triblend = pow(abs(IN.worldNormal), _BlendSharpness);triblend /= dot(triblend, float3(1,1,1));half4 colX = tex2D(_MainTex, IN.worldPos.yz);half4 colY = tex2D(_MainTex, IN.worldPos.xz);half4 colZ = tex2D(_MainTex, IN.worldPos.xy);o.Albedo = colX * triblend.x + colY * triblend.y + colZ * triblend.z;
}

3.2 自定义顶点修改

#pragma surface surf Lambert vertex:vertvoid vert (inout appdata_full v, out Input o) 
{UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input, o);// 顶点波浪动画float wave = sin(_Time.y + v.vertex.x * _WaveFreq);v.vertex.y += wave * _WaveAmp;// 传递世界坐标o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
}

3.3 多光源支持

#pragma surface surf Standard fullforwardshadows
#pragma multi_compile_fwdaddvoid surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) 
{// 表面函数
}// 额外光源处理
#ifdef _ADDITIONAL_LIGHTSuint pixelLightCount = GetAdditionalLightsCount();for (uint lightIndex = 0; lightIndex < pixelLightCount; lightIndex++) {Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, IN.worldPos);// 光源贡献计算}
#endif

4. GPU实例化优化

4.1 实例化原理

GPU实例化允许一次性绘制多个相同网格，减少Draw Call：

常规绘制： Draw Call 1 -> 网格1Draw Call 2 -> 网格1...
实例化：   Draw Call 1 -> 网格1 (实例1, 实例2, ...)

4.2 静态批处理 vs GPU实例化

4.3 实例化实战：草地渲染

Shader "Custom/InstancedGrass"
{Properties { /* 属性 */ }SubShader{Pass{Tags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_instancingUNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _Color)UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float, _Height)UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)struct appdata{float4 vertex : POSITION;UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID};struct v2f{float4 pos : SV_POSITION;UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID};v2f vert (appdata v){v2f o;UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(v, o);float height = UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(Props, _Height);v.vertex.y += height;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(i);return UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(Props, _Color);}ENDCG}}
}

5. Shader变体管理

5.1 变体概念

Shader变体由预编译指令组合生成：

#pragma multi_compile _ A B
#pragma multi_compile C D

5.2 变体控制技巧

1. 精确控制：

#pragma shader_feature _ENABLE_FEATURE

2. 跳过变体：

#pragma skip_variants POINT SPOT

5.3 变体优化策略

• 避免不必要的multi_compile
• 使用shader_feature替代multi_compile
• 拆分变体过多的Shader
• 使用变体集合(Variant Collections)

6. 计算着色器入门

6.1 计算着色器基础

#pragma kernel CSMainRWTexture2D<float4> Result;
[numthreads(8,8,1)]
void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{// 并行计算Result[id.xy] = float4(id.x & id.y, (id.x & 15)/15.0, (id.y & 15)/15.0, 0.0);
}

6.2 粒子系统优化

// 粒子更新计算着色器
RWStructuredBuffer<Particle> ParticleBuffer;[numthreads(64,1,1)]
void UpdateParticles (uint id : SV_DispatchThreadID)
{Particle p = ParticleBuffer[id];// 更新位置p.velocity += float3(0, -9.8, 0) * dt;p.position += p.velocity * dt;// 碰撞检测if(p.position.y < 0) {p.position.y = 0;p.velocity.y *= -0.8;}ParticleBuffer[id] = p;
}

6.3 通用计算应用

• 网格变形
• 物理模拟
• 纹理生成
• 光线追踪

7. 实战案例：天气系统

7.1 雨滴效果

// 雨滴表面着色器
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) 
{// 雨滴法线贴图float2 rainUV = IN.worldPos.xz * _RainScale + float2 _Time.y * _RainSpeed;half3 rainNormal = UnpackNormal(tex2D(_RainNormalMap, rainUV));// 混合基础法线o.Normal = BlendNormals(o.Normal, rainNormal);// 湿润效果half wetFactor = saturate(_RainAmount * 2 - 1);o.Albedo = lerp(_DryColor, _WetColor, wetFactor);
}

7.2 雪地脚印

// 脚印渲染
float3 worldPos = IN.worldPos;
float2 footprintUV = worldPos.xz - _PlayerPos.xz;
half footprint = tex2D(_FootprintMask, footprintUV).r;// 混合雪地材质
o.Albedo = lerp(_SnowColor, _GroundColor, footprint);
o.Smoothness = lerp = lerp(_SnowSmoothness, 0.2, footprint);

7.3 动态潮湿效果

// 潮湿贴图随时间变化
float2 wetUV = IN.worldPos.xz * _WetScale;
half wetPattern = tex2D(_WetPatternMap, wetUV).r;// 随时间增加的潮湿程度
half wetFactor = saturate(_Wetness * 2 - wetPattern);
o.Metallic = lerp(0.0, 0.8, wetFactor);
o.Smoothness = lerp(0.1, 0.9, wetFactor);

8. 性能调优与调试

8.1 Shader性能分析

GPU性能分析：

• Unity Frame Debugger
• RenderDoc
• XCode GPU Debugger

关键指标：

• Fill Rate（填充率）
• Overdraw（过度绘制）
• Shader复杂度

8.2 带宽优化

• 压缩纹理格式（ASTC, ETC2）
• Mipmap优化
• 减少纹理采样次数
• 使用纹理图集

8.3 跨平台适配

// 平台相关宏
#if defined(SHADER_API_MOBILE)// 移动端简化版
#elif defined(SHADER_API_D3D11)// PC高级版
#endif// 精度调整
#if defined(SHADER_API_GLES)precision mediump float;
#elseprecision highp float;
#endif

9. 总结与资源

核心进阶技术：

• 物理光照模型实现
• 后处理特效开发
• GPU实例化优化
• 计算着色器应用

继续学习资源：

• Unity官方Shader文档
• Catlike Coding教程

• 希望本文能帮助你在Unity开发中更加得心应手！如果有任何问题，请在评论区留言讨论。
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