Unity Shader-边缘光(RimLight)效果

待我称王封你为后i 2022-07-14 12:53 1019阅读 0赞

## 简介 ##

写了两篇简单光照模型的shader的文章，虽然Unity自带的shader就有diffuse和specular，效果还比自己写的好，然而要想学好shader，基础还是很重要的。不然到网上到处找shader，扔到项目里，能用就好，完全不看性能的话，迟早会出事的。今天不看光照模型了，物理渲染还没搞懂，所以只好先来个简单的shader玩一玩。正好最近在和某基友玩黑魂，这货一出来总是自带一个特效-边缘光。于是本人强迫症发作，决定研究一下这个怎么实现。

![Center][]

RimLight--边缘发光效果，是一个比较常用的效果，实现简单，在普通的光照计算后只需要两步操作，就可以实现边缘光效果。看下面一幅图，简单介绍一下RimLight的原理：

![Center 1][]

所谓RimLight边缘发光，也就是说对应我们当前视角方向，物体上位于边缘的地方额外加一个光的效果。那么，怎么判断一个点是否在物体的边缘呢？就是通过法线方向和视线方向的夹角来判断。当视线方向V与法线方向N垂直时，这个法线对应的面就与视线方向平行，说明当前这个点对于当前视角来说，就处在边缘；而视线方向与法线方向一致时，这个法线对应的面就垂直于视线方向，说明当前是直视这个面。所以，我们就可以根据dot（N,V）来获得视线方向与法线方向的余弦值，通过这个值来区分该像素是否处在边缘，进而判断是否需要增加以及增加边缘光的强弱。

## 边缘光效果Unity下的实现 ##

上面已经说完了边缘光效果的实现原理，下面附上完整的边缘光效果shader，基于之前介绍过的 [兰伯特光照模型][Link 1]，增加了边缘光效果：

//边缘发光Shader
    //by：puppet_master
    //2016.12.11
    
    Shader "ApcShader/RimLight"
    {
    	//属性
    	Properties{
    		_Diffuse("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
    		_RimColor("RimColor", Color) = (1,1,1,1)
    		_RimPower("RimPower", Range(0.000001, 3.0)) = 0.1
    		_MainTex("Base 2D", 2D) = "white"{}
    	}
    
    	//子着色器	
    	SubShader
    	{
    		Pass
    		{
    			//定义Tags
    			Tags{ "RenderType" = "Opaque" }
    
    			CGPROGRAM
    			//引入头文件
    			#include "Lighting.cginc"
    			//定义Properties中的变量
    			fixed4 _Diffuse;
    			sampler2D _MainTex;
    			//使用了TRANSFROM_TEX宏就需要定义XXX_ST
    			float4 _MainTex_ST;
    			fixed4 _RimColor;
    			float _RimPower;
    
    			//定义结构体：vertex shader阶段输出的内容
    			struct v2f
    			{
    				float4 pos : SV_POSITION;
    				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
    				float2 uv : TEXCOORD1;
    				//在vertex shader中计算观察方向传递给fragment shader
    				float3 worldViewDir : TEXCOORD2;
    			};
    
    			//定义顶点shader,参数直接使用appdata_base（包含position, noramal, texcoord）
    			v2f vert(appdata_base v)
    			{
    				v2f o;
    				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
    				//通过TRANSFORM_TEX宏转化纹理坐标，主要处理了Offset和Tiling的改变,默认时等同于o.uv = v.texcoord.xy;
    				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
    				o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);
    				//顶点转化到世界空间
    				float3 worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
    				//可以把计算计算ViewDir的操作放在vertex shader阶段，毕竟逐顶点计算比较省
    				o.worldViewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - worldPos;
    				return o;
    			}
    
    			//定义片元shader
    			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
    			{
    				//unity自身的diffuse也是带了环境光，这里我们也增加一下环境光
    				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.xyz;
    				//归一化法线，即使在vert归一化也不行，从vert到frag阶段有差值处理，传入的法线方向并不是vertex shader直接传出的
    				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
    				//把光照方向归一化
    				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
    				//根据半兰伯特模型计算像素的光照信息
    				fixed3 lambert = 0.5 * dot(worldNormal, worldLightDir) + 0.5;
    				//最终输出颜色为lambert光强*材质diffuse颜色*光颜色
    				fixed3 diffuse = lambert * _Diffuse.xyz * _LightColor0.xyz + ambient;
    				//进行纹理采样
    				fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
    				
    				//以下为本篇主题：计算RimLight
    				//把视线方向归一化
    				float3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);
    				//计算视线方向与法线方向的夹角，夹角越大，dot值越接近0，说明视线方向越偏离该点，也就是平视，该点越接近边缘
    				float rim = 1 - max(0, dot(worldViewDir, worldNormal));
    				//计算rimLight
    				fixed3 rimColor = _RimColor * pow(rim, 1 / _RimPower);
    				//输出颜色+边缘光颜色
    				color.rgb = color.rgb* diffuse + rimColor;
    				
    				return fixed4(color);
    			}
    
    			//使用vert函数和frag函数
    			#pragma vertex vert
    			#pragma fragment frag	
    
    			ENDCG
    		}
    	}
    	//前面的Shader失效的话，使用默认的Diffuse
    	FallBack "Diffuse"
    }

下面看一下加了边缘光后的效果，普通diffuse shader：

![Center 2][]

白色边缘光效果：

![Center 3][]

黄色边缘光效果：

![Center 4][]

增加 [景深][Link 2]效果和 [Bloom][]效果，Bloom可以把亮的部分处理得更亮，有一种光线溢出的效果，而景深效果可以突出我们要表现的重点。唉，最近发现自己身陷后处理不能自拔啊....

![Center 5][]

## 通过Mask图控制边缘光 ##

我们把边缘光效果加大到一定程度，就快成了自发光效果，但是上面的shader有个问题，就是全身都会自发光。如下图所示：

![Center 6][]

如果只希望盔甲部分有自发光效果，而其他部分没有自发光，我们就需要用Mask图来控制了，我们用一张Alpha8的灰度图来控制是否开启边缘光效果，将上面的shader简单修改一下，增加Mask图的通道：

//边缘发光Shader
    //by：puppet_master
    //2016.12.11
    
    Shader "ApcShader/RimLight"
    {
    	//属性
    	Properties{
    		_Diffuse("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
    		_RimColor("RimColor", Color) = (1,1,1,1)
    		_RimPower("RimPower", Range(0.000001, 20.0)) = 0.1
    		_RimMask("RimMask", 2D) = "white"{}
    		_MainTex("Base 2D", 2D) = "white"{}
    	}
    
    	//子着色器	
    	SubShader
    	{
    		Pass
    		{
    			//定义Tags
    			Tags{ "RenderType" = "Opaque" }
    
    			CGPROGRAM
    			//引入头文件
    			#include "Lighting.cginc"
    			//定义Properties中的变量
    			fixed4 _Diffuse;
    			sampler2D _MainTex;
    			//使用了TRANSFROM_TEX宏就需要定义XXX_ST
    			float4 _MainTex_ST;
    			sampler2D _RimMask;
    			fixed4 _RimColor;
    			float _RimPower;
    
    			//定义结构体：vertex shader阶段输出的内容
    			struct v2f
    			{
    				float4 pos : SV_POSITION;
    				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
    				float2 uv : TEXCOORD1;
    				//在vertex shader中计算观察方向传递给fragment shader
    				float3 worldViewDir : TEXCOORD2;
    			};
    
    			//定义顶点shader,参数直接使用appdata_base（包含position, noramal, texcoord）
    			v2f vert(appdata_base v)
    			{
    				v2f o;
    				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
    				//通过TRANSFORM_TEX宏转化纹理坐标，主要处理了Offset和Tiling的改变,默认时等同于o.uv = v.texcoord.xy;
    				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
    				o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);
    				//顶点转化到世界空间
    				float3 worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
    				//可以把计算计算ViewDir的操作放在vertex shader阶段，毕竟逐顶点计算比较省
    				o.worldViewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - worldPos;
    				return o;
    			}
    
    			//定义片元shader
    			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
    			{
    				//unity自身的diffuse也是带了环境光，这里我们也增加一下环境光
    				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.xyz;
    				//归一化法线，即使在vert归一化也不行，从vert到frag阶段有差值处理，传入的法线方向并不是vertex shader直接传出的
    				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
    				//把光照方向归一化
    				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
    				//根据半兰伯特模型计算像素的光照信息
    				fixed3 lambert = 0.5 * dot(worldNormal, worldLightDir) + 0.5;
    				//最终输出颜色为lambert光强*材质diffuse颜色*光颜色
    				fixed3 diffuse = lambert * _Diffuse.xyz * _LightColor0.xyz + ambient;
    				//进行纹理采样
    				fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
    				
    				//以下为本篇主题：计算RimLight
    				//把视线方向归一化
    				float3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);
    				//计算视线方向与法线方向的夹角，夹角越大，dot值越接近0，说明视线方向越偏离该点，也就是平视，该点越接近边缘
    				float rim = 1 - max(0, dot(worldViewDir, worldNormal));
    				//计算RimLight
    				fixed3 rimColor = _RimColor * pow(rim, 1 / _RimPower);
    				//通过RimMask控制是否有边缘光,Rim目前存在一张Alpha8类型的图片中
    				fixed rimMask = tex2D(_RimMask, i.uv).a;
    				//输出颜色+边缘光颜色
    				color.rgb = color.rgb* diffuse + rimColor * (1 - rimMask);
    				
    				return fixed4(color);
    			}
    
    			//使用vert函数和frag函数
    			#pragma vertex vert
    			#pragma fragment frag	
    
    			ENDCG
    		}
    	}
    	//前面的Shader失效的话，使用默认的Diffuse
    	FallBack "Diffuse"
    }

我们把下面这张自发光Mask图赋给材质：

![Center 7][]

通过采样这张Mask就能控制那部分开启自发光，那部分关闭自发光了：

![Center 8][]

调整Mask图，也可以得到一些比较好玩的效果：

![Center 9][]

## 动态RimLight效果 ##

看了一篇博文，其中的边缘光使用了一张动态图，达到了流动的效果，感谢 [作者][Link 3]的无私分享，于是我也尝试一下动态RimLight的效果。其实思路跟上面的Mask图一样，只不过这次改成一张扫面线类型的纹理，然后通过这张纹理的采样滚动，达到动态的效果。一提到动态效果，我们第一个想到的应该就是\_Time向量，这个向量中几个值都是跟时间相关的，我们如果做动态效果，肯定少不了和这个变量打交道，关于\_Time及其变种，可以参考 [这篇文章][Link 4]，我们这里用\_Time.y就可以获得时间了。

我们用一张Mask纹理，白色代表有边缘光，黑色无边缘光，通过采样这张Mask纹理，控制模型上显示边缘光的部分：

![Center 10][]

动态RimLight的shader如下：

//边缘发光Shader
    //by：puppet_master
    //2016.12.11
    
    Shader "ApcShader/RimLight"
    {
    	//属性
    	Properties{
    		_Diffuse("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
    		_RimColor("RimColor", Color) = (1,1,1,1)
    		_RimPower("RimPower", Range(0.000001, 20.0)) = 0.1
    		_RimMask("RimMask", 2D) = "white"{}
    		_MainTex("Base 2D", 2D) = "white"{}
    		_RimSpeed("RimSpeed", Range(-10, 10)) = 1.0
    	}
    
    	//子着色器	
    	SubShader
    	{
    		Pass
    		{
    			//定义Tags
    			Tags{ "RenderType" = "Opaque" }
    
    			CGPROGRAM
    			//引入头文件
    			#include "Lighting.cginc"
    			//定义Properties中的变量
    			fixed4 _Diffuse;
    			sampler2D _MainTex;
    			//使用了TRANSFROM_TEX宏就需要定义XXX_ST
    			float4 _MainTex_ST;
    			sampler2D _RimMask;
    			fixed4 _RimColor;
    			float _RimPower;
    			float _RimSpeed;
    
    			//定义结构体：vertex shader阶段输出的内容
    			struct v2f
    			{
    				float4 pos : SV_POSITION;
    				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
    				float2 uv : TEXCOORD1;
    				//在vertex shader中计算观察方向传递给fragment shader
    				float3 worldViewDir : TEXCOORD2;
    			};
    
    			//定义顶点shader,参数直接使用appdata_base（包含position, noramal, texcoord）
    			v2f vert(appdata_base v)
    			{
    				v2f o;
    				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
    				//通过TRANSFORM_TEX宏转化纹理坐标，主要处理了Offset和Tiling的改变,默认时等同于o.uv = v.texcoord.xy;
    				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
    				o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);
    				//顶点转化到世界空间
    				float3 worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
    				//可以把计算计算ViewDir的操作放在vertex shader阶段，毕竟逐顶点计算比较省
    				o.worldViewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - worldPos;
    				return o;
    			}
    
    			//定义片元shader
    			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
    			{
    				//unity自身的diffuse也是带了环境光，这里我们也增加一下环境光
    				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.xyz;
    				//归一化法线，即使在vert归一化也不行，从vert到frag阶段有差值处理，传入的法线方向并不是vertex shader直接传出的
    				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
    				//把光照方向归一化
    				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
    				//根据半兰伯特模型计算像素的光照信息
    				fixed3 lambert = 0.5 * dot(worldNormal, worldLightDir) + 0.5;
    				//最终输出颜色为lambert光强*材质diffuse颜色*光颜色
    				fixed3 diffuse = lambert * _Diffuse.xyz * _LightColor0.xyz + ambient;
    				//进行纹理采样
    				fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
    				
    				//以下为本篇主题：计算RimLight
    				//把视线方向归一化
    				float3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);
    				//计算视线方向与法线方向的夹角，夹角越大，dot值越接近0，说明视线方向越偏离该点，也就是平视，该点越接近边缘
    				float rim = 1 - max(0, dot(worldViewDir, worldNormal));
    				//计算RimLight
    				fixed3 rimColor = _RimColor * pow(rim, 1 / _RimPower);
    				//通过RimMask控制是否有边缘光,Rim目前存在一张Alpha8类型的图片中
    				fixed rimMask = tex2D(_RimMask, i.uv + float2(0 , _Time.y * _RimSpeed)).r;
    				//输出颜色+边缘光颜色
    				color.rgb = color.rgb* diffuse + rimColor * (1-rimMask);
    				
    				return fixed4(color);
    			}
    
    			//使用vert函数和frag函数
    			#pragma vertex vert
    			#pragma fragment frag	
    
    			ENDCG
    		}
    	}
    	//前面的Shader失效的话，使用默认的Diffuse
    	FallBack "Diffuse"
    }

来一张Gif截图（旁边好像有什么抢镜了）：

![Center 11][]

## Unity Shader中可用的变量类型整理 ##

在传递参数时总是忘了能传递哪些类型的参数，记录一下，方便以后查找，这种东西也没必要死记硬背下来，需要的时候几秒钟之内能找到就好了。

//Float类型，下面对应变量可以用flaot,half,fixed
    _Name("Inspector Name", Float) = defaultValue
    //Float类型,可以用一个滑动条控制范围,下面对应变量可以用float,half,fixed
    _Name("Inspector Name", Range(min, max)) = defaultValue
    //颜色类型，下面对应变量可以用float4,half4,fixed4，如果是颜色，尽量fixed4
    _Name("Inspector Name", Color) = (defaultValue.r, defaultValue.g, defaultValue.b, defaultValue.a)
    //2D纹理类型,默认纹理可以为空，白，黑，灰，凹凸，下面对应变量sampler2D
    _Name("Inspector Name", 2D) = "" / "white" / "black" / "gray" / "bump"{options}
    //长方形纹理，非2次方大小的纹理，其同上
    _Name("Inspector Name", Rect) = "" / "white" / "black" / "gray" / "bump"{options}
    //立方体贴图CubeMap
    _Name("Inspector Name", Cube) = "" {options}
    //传递一个Vector4向量
    _Name("Inspector Name", Vector) = (defaultValue.x, defaultValue.y, defaultValue.z, defaultValue.w)
    
    //注：上面纹理后面{}里面是一些纹理TexGen，LightmapMode光照模式等内容

[Center]: /images/20220714/e330450d80214b9080bf6a89d5086fde.png
[Center 1]: /images/20220714/ba62abf25bed45ceb7bd765870c504d0.png
[Link 1]: http://blog.csdn.net/puppet_master/article/details/53074789
[Center 2]: /images/20220714/5347d85696cf4605ac7b9fa6ca6ce94a.png
[Center 3]: /images/20220714/384763081a4044359c04d35205a3190f.png
[Center 4]: /images/20220714/fada0200c57841649463b5e30252c583.png
[Link 2]: http://blog.csdn.net/puppet_master/article/details/52819874
[Bloom]: http://blog.csdn.net/puppet_master/article/details/52889050
[Center 5]: /images/20220714/c2702c8b58e847b49968057a8673e8e1.png
[Center 6]: /images/20220714/95a5d0acb6324db3b50aaf76c87fce55.png
[Center 7]: /images/20220714/ece195ea8c1e4190b542a0f1fd929054.png
[Center 8]: /images/20220714/73b61d696eb9497e84ee518aac0fb31c.png
[Center 9]: /images/20220714/203e938802084e47bc9d475d2d0febc1.png
[Link 3]: http://liweizhaolili.blog.163.com/blog/static/162307442012726111843408/
[Link 4]: http://blog.csdn.net/puppet_master/article/details/52975666
[Center 10]: /images/20220714/1f845c5216ff4954ab762033f8ee182d.png
[Center 11]: /images/20220714/b2c8f048e1624221a457371646a30b4e.png