Unity3D游戏制作（二）——如何渲染3D角色

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http://blog.csdn.net/amazonzx/article/details/7935341

本文主要介绍一下如何利用Shader来渲染游戏中的3D角色，以及如何利用Unity提供的Surface Shader来书写自定义Shader。

一、       从Shader开始

1、通过Assets->Create->Shader来创建一个默认的Shader，并取名“MyShader”。

2、将MyShader打开即可看见Unity默认的Shader代码

[csharp] view plaincopy

• Shader "Custom/MyShader" {  
•     Properties {  
•         _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}  
•     }  
•     SubShader {  
•         Tags { "RenderType"="Opaque" }  
•         LOD 200  
•          
•         CGPROGRAM  
•         #pragma surface surf Lambert  
•   
•         sampler2D _MainTex;  
•   
•         struct Input {  
•             float2 uv_MainTex;  
•         };  
•   
•         void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {  
•             half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);  
•             o.Albedo = c.rgb;  
•             o.Alpha = c.a;  
•         }  
•         ENDCG  
•     }   
•     FallBack "Diffuse"  
• }  
  

3、将该Shader赋给一个角色，就可以看到该Shader所能表达出的Diffuse渲染效果。

4、接下来我们将以此默认Shader作为蓝本，编写出自定义的Shader。另外，该Shader所用到的参数，我们将在下一章节进行说明。

二、       实现多种自定义渲染效果

1、  BumpMap效果

如果想实现Bump Map效果，可对上述的Shader做如下修改：

1.1  在属性Properties中加入：

[csharp] view plaincopy

• Properties {  
•     _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}  
•     _BumpMap("Bumpmap", 2D) = "bump" {}  
• }  
  

1.2  在SubShader的变量中也进行相应修改：

[csharp] view plaincopy

• sampler2D _MainTex;  
• sampler2D _BumpMap;  
•   
• struct Input {  
•     float2 uv_MainTex;  
•     float2 uv_BumpMap;   
• };  
  

1.3  最后修改surf函数，加入对Normal分量的计算：

[csharp] view plaincopy

• void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {  
• <span style="white-space:pre">  </span>half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);  
•     o.Albedo = c.rgb;  
•     o.Alpha = c.a;  
•     o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));  
• }  
  

这样，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定BumpMap的Shader名为“MyShader1”）：

然后，根据Base图来创建其Normal Map图，并拖入到BumpMap中即可。BumpMap的效果显示如下：

说明：

（1）首先是title的解释

[csharp] view plaincopy

• Shader "Custom/MyShader1"   
  

这种表示表明了该Shader在编辑器中的显示位置，例如我们可在如下地方找到该Shader。

（2）其次是Properties

[csharp] view plaincopy

• Properties {  
•     _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}  
•     _BumpMap("Bumpmap", 2D) = "bump" {}  
• }  
  

Properties可通过如下语义进行声明：

name ("displayname", property type) = default value

l  “name” 是与Shader脚本中对应的名字

l  “display name”是在材质视图中所显示的名字

l  “propertytype”是指该property的类型，一般可有如下几种类型：Range，Color，2D，Rect，Cube，Float和Vector

l  “defaultvalue”是指该property的默认值

这里需要注意的是，如果你在Properties中加入了新的属性，那么你需要在CGPROGRAM中的SubShader中加入同样名字的参数。

（3）接下来是“LOD”语义词的解释。

这里的“LOD”主要是指Shader的LOD程度，即对于超出该范围的物体将不再通过该Shader进行渲染，具体的Shader LOD说明可以参见：http://blog.csdn.net/amazonzx/article/details/7614399

（4）我们在SubShader中还加入了

[csharp] view plaincopy

• sampler2D _BumpMap;  
• float2 uv_BumpMap;  
•               
  

其中，_BumpMap是为了关联Properties中的_BumpMap属性。

而uv_BumpMap，是为了获取BumpMap图中的uv坐标。

（5）最后，我们在surf函数中获取每个顶点的纹理信息以及法线信息，这些信息将被应用于接下来的Vertex Fragment和Pixel Fragment。

[csharp] view plaincopy

• void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {  
•     half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);  
•     o.Albedo = c.rgb;  
•     o.Alpha = c.a;  
•     o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));  
• }  
  

其中，tex2D函数可以读取纹理_MainTex中的IN.uv_MainTex坐标位置的像素颜色值。

Albedo和Alpha分别获取该像素的RGB值和Alpha值，其中“Albedo”是一个漫反射参数，它表示一个表面的漫反射能力，即一个表面上出射光强与入射光强的比值。具体介绍可见：http://en.wikipedia.org/wiki/Albedo。

2、  Blinn-Phong效果

如果想实现Blinn-Phong效果，可对上述的Shader做如下修改：

2.1  在属性Properties中加入：

[csharp] view plaincopy

• _AmbientColor ("Ambient Color", Color) = (0.1, 0.1, 0.1, 1.0)  
• _SpecularColor ("Specular Color", Color) = (0.12, 0.31, 0.47, 1.0)  
• _Glossiness ("Gloss", Range(1.0,512.0)) = 80.0  
  

2.2  在SubShader的变量中也加入相应修改：

[csharp] view plaincopy

• fixed4 _AmbientColor;  
• fixed4 _SpecularColor;  
• half _Glossiness;  
  

2.3  最后修改surf函数，进行如下修改：

[csharp] view plaincopy

• fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);  
  

这里将原有的half4替换为fixed4，这样做是为了提高渲染的性能，因为fixed的精度较之half要低，更高的精度意味着更大的计算量，而这里fixed的精度已经足够，所以使用fixed替代half4，从而来降低计算消耗，增加渲染性能。

2.4  将“#pragma surface surf Lamber”改成“#pragma surfacesurf CustomBlinnPhong”，同时加入与其对应的LightingCustomBlinnPhong函数来计算顶点光照。

[csharp] view plaincopy

• inline fixed4 LightingCustomBlinnPhong (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, fixed atten)   
• {  
•     fixed3 ambient = s.Albedo * _AmbientColor.rgb;  
•   
•     fixed NdotL = saturate(dot (s.Normal, lightDir));   
•     fixed3 diffuse = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL;  
•               
•     fixed3 h = normalize (lightDir + viewDir);   
•     float nh = saturate(dot (s.Normal, h));   
•     float specPower = pow (nh, _Glossiness);  
•     fixed3 specular = _LightColor0.rgb * specPower * _SpecularColor.rgb;  
•   
•     fixed4 c;  
•     c.rgb = (ambient + diffuse + specular) * (atten * 2);  
•     c.a = s.Alpha + (_LightColor0.a * _SpecularColor.a * specPower * atten);  
•     return c;  
• }  
  

该函数的名称为什么不是“CustomBlinnPhong”呢？这是因为该函数虽然是由“#pragma surface surf CustomBlinnPhong”来调用，但是为了让该函数可以正常工作，我们需要在其名称前加入“Lighting”关键字，这样Unity才能识别出这是一个自定义的光照函数。

通过以上设置，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定该Shader名为“MyShader2”）：

其显示效果如下：

3、  边缘光照（Rim Light）和卡通渲染（Toon Shading）

可以通过对上述Shader做以下改进，来达到这种效果：

3.1  在属性Properties中加入：

[csharp] view plaincopy

• _RimColor ("Rim Color", Color) = (0.12, 0.31, 0.47, 1.0)  
• _RimPower ("Rim Power", Range(0.5, 8.0)) = 3.0  
• _Ramp ("Shading Ramp", 2D) = "gray" {}  
  

3.2  在SubShader的变量中也加入相应修改：

[csharp] view plaincopy

• sampler2D _MainTex;  
• sampler2D _BumpMap;  
• sampler2D _Ramp;  
•          
• fixed4 _AmbientColor;  
• fixed4 _SpecularColor;  
• half _Glossiness;  
•   
• fixed4 _RimColor;  
• half _RimPower;  
•   
• struct Input {  
•     float2 uv_MainTex;  
•     float2 uv_BumpMap;  
•     half3 viewDir;   
• };  
  

3.3  修改surf函数，进行如下修改：

[csharp] view plaincopy

• void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {  
•     fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);  
•     o.Albedo = c.rgb;  
•     o.Alpha = c.a;  
•     o.Normal = UnpackNormal (tex2D (_BumpMap, IN.uv_BumpMap));  
•     fixed rim = 1.0 - saturate (dot (normalize(IN.viewDir), o.Normal));  
•     o.Emission = (_RimColor.rgb * pow (rim, _RimPower));  
• }  
  

这里主要是用来计算边缘光照的，首先通过视线与法线的夹角来找到模型的边缘，然后再根据距离的远近来控制发射光的强度。

3.4  将“#pragma surface surf CustomBlinnPhong”改成“#pragma surfacesurf CustomBlinnPhong exclude_path:prepass”，同时在LightingCustomBlinnPhong函数来修改漫反射光的计算，来达到卡通渲染的效果。

[csharp] view plaincopy

• fixed NdotL = saturate(dot (s.Normal, lightDir));   
• fixed diff = NdotL * 0.5 + 0.5;  
• fixed3 ramp = tex2D (_Ramp, float2(diff, diff)).rgb;  
• fixed diffuse = s.Albedo * LightColor0.rgb * ramp;  
  

通过以上设置，角色的材质部分即可变为如下形式（暂定该Shader名为“MyShader3”）：

其显示效果如下：

可以看出边缘光照的效果，同时还可以看出明显的明暗变化的卡通渲染效果。

三、       小结

综上所述，本文已经给出了人物的几种基本渲染方法及其Shader实现，在这里我并没有去分析每种渲染效果的原理，而仅是从实际出发，直接给出对应的简单实现方法。如果想要对光照模型进行深入理解，可以Google搜索其原理进行了解。最后，给出各种渲染方法的对比图，显示如下：