Unity Standard Shader 解析（二）之ForwardAdd（标准版）

一、ForwardAdd

        //  Additive forward pass (one light per pass)Pass{Name "FORWARD_DELTA"Tags { "LightMode" = "ForwardAdd" }Blend [_SrcBlend] OneFog { Color (0,0,0,0) } // in additive pass fog should be blackZWrite OffZTest LEqualCGPROGRAM#pragma target 3.0// -------------------------------------#pragma shader_feature_local _NORMALMAP#pragma shader_feature_local _ _ALPHATEST_ON _ALPHABLEND_ON _ALPHAPREMULTIPLY_ON#pragma shader_feature_local _METALLICGLOSSMAP#pragma shader_feature_local_fragment _SMOOTHNESS_TEXTURE_ALBEDO_CHANNEL_A#pragma shader_feature_local_fragment _SPECULARHIGHLIGHTS_OFF#pragma shader_feature_local_fragment _DETAIL_MULX2#pragma shader_feature_local _PARALLAXMAP#pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows#pragma multi_compile_fog// 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 vertAdd#pragma fragment fragAdd#include "UnityStandardCoreForward.cginc"ENDCG}

引用了UnityStandardCoreForward.cginc中的vertAdd和fragAdd

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"VertexOutputForwardBase vertBase (VertexInput v) { return vertForwardBase(v); }//------关键代码--------VertexOutputForwardAdd vertAdd (VertexInput v) { return vertForwardAdd(v); }half4 fragBase (VertexOutputForwardBase i) : SV_Target { return fragForwardBaseInternal(i); }//------关键代码--------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

查看UnityStandardCore.cginc里的vertForwardAdd和 fragForwardAddInternal

二、vertForwardAdd

// ------------------------------------------------------------------
//  Additive forward pass (one light per pass)
struct VertexOutputForwardAdd
{UNITY_POSITION(pos);float4 tex                          : TEXCOORD0;float4 eyeVec                       : TEXCOORD1;    // eyeVec.xyz | fogCoordfloat4 tangentToWorldAndLightDir[3] : TEXCOORD2;    // [3x3:tangentToWorld | 1x3:lightDir]float3 posWorld                     : TEXCOORD5;UNITY_LIGHTING_COORDS(6, 7)// next ones would not fit into SM2.0 limits, but they are always for SM3.0+
#if defined(_PARALLAXMAP)half3 viewDirForParallax            : TEXCOORD8;
#endifUNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
};VertexOutputForwardAdd vertForwardAdd(VertexInput v)
{// 设置实例ID，确保正确处理实例化渲染UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);// 初始化输出结构体 oVertexOutputForwardAdd o;UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(VertexOutputForwardAdd, o);// 初始化立体视觉相关的输出UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o);// 将顶点从对象空间转换到世界空间float4 posWorld = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);// 将顶点从对象空间转换到裁剪空间o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);// 计算并设置纹理坐标o.tex = TexCoords(v);// 计算并设置视角方向（从世界空间相机位置到顶点的世界位置）o.eyeVec.xyz = NormalizePerVertexNormal(posWorld.xyz - _WorldSpaceCameraPos);// 保存顶点的世界空间位置o.posWorld = posWorld.xyz;// 将法线从对象空间转换到世界空间float3 normalWorld = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);// 如果启用了切线到世界空间的转换#ifdef _TANGENT_TO_WORLD// 将切线从对象空间转换到世界空间float4 tangentWorld = float4(UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz), v.tangent.w);// 创建从切线空间到世界空间的变换矩阵float3x3 tangentToWorld = CreateTangentToWorldPerVertex(normalWorld, tangentWorld.xyz, tangentWorld.w);// 将变换矩阵存储在输出结构体中o.tangentToWorldAndLightDir[0].xyz = tangentToWorld[0];o.tangentToWorldAndLightDir[1].xyz = tangentToWorld[1];o.tangentToWorldAndLightDir[2].xyz = tangentToWorld[2];#else// 如果未启用切线到世界空间的转换，则只存储法线o.tangentToWorldAndLightDir[0].xyz = 0;o.tangentToWorldAndLightDir[1].xyz = 0;o.tangentToWorldAndLightDir[2].xyz = normalWorld;#endif// 传递光照信息以支持阴影接收和光照计算UNITY_TRANSFER_LIGHTING(o, v.uv1);// 计算光源方向float3 lightDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz - posWorld.xyz * _WorldSpaceLightPos0.w;// 如果不是平行光，则归一化光源方向#ifndef USING_DIRECTIONAL_LIGHTlightDir = NormalizePerVertexNormal(lightDir);#endif// 将光源方向存储在输出结构体中o.tangentToWorldAndLightDir[0].w = lightDir.x;o.tangentToWorldAndLightDir[1].w = lightDir.y;o.tangentToWorldAndLightDir[2].w = lightDir.z;// 如果启用了视差映射#ifdef _PARALLAXMAP// 计算切线空间旋转矩阵TANGENT_SPACE_ROTATION;// 将视图方向从对象空间转换到切线空间o.viewDirForParallax = mul(rotation, ObjSpaceViewDir(v.vertex));#endif// 传递雾效信息UNITY_TRANSFER_FOG_COMBINED_WITH_EYE_VEC(o, o.pos);// 返回输出结构体return o;
}

三、vertForwardBase和vertForwardAdd的区别

vertForwardBase 和 vertForwardAdd 是两个不同的顶点着色器函数，它们分别用于处理基础光照和附加光源的前向渲染路径。

主要区别

1. 输入输出结构体：
   • vertForwardBase：使用 VertexOutputForwardBase 输出结构体，包含更多的信息（如环境光或光照贴图UV）。
   • vertForwardAdd：使用 VertexOutputForwardAdd 输出结构体，主要关注附加光源的计算。

• VertexOutputForwardBase

  struct VertexOutputForwardBase
  {UNITY_POSITION(pos);float4 tex : TEXCOORD0;float4 eyeVec : TEXCOORD1;float4 tangentToWorldAndPackedData[3] : TEXCOORD2;half4 ambientOrLightmapUV : TEXCOORD5;UNITY_LIGHTING_COORDS(6, 7)
  #if UNITY_REQUIRE_FRAG_WORLDPOS && !UNITY_PACK_WORLDPOS_WITH_TANGENTfloat3 posWorld : TEXCOORD8;
  #endifUNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_IDUNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
  };
  

• VertexOutputForwardAdd

  struct VertexOutputForwardAdd
  {UNITY_POSITION(pos);float4 tex : TEXCOORD0;float4 eyeVec : TEXCOORD1;float4 tangentToWorldAndLightDir[3] : TEXCOORD2;float3 posWorld : TEXCOORD5;UNITY_LIGHTING_COORDS(6, 7)
  #if defined(_PARALLAXMAP)half3 viewDirForParallax : TEXCOORD8;
  #endifUNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
  };
  

2. 世界位置的存储方式：

   • vertForwardBase：根据编译条件选择是否打包世界位置数据到切线空间矩阵中。

          #if UNITY_REQUIRE_FRAG_WORLDPOS#if UNITY_PACK_WORLDPOS_WITH_TANGENTo.tangentToWorldAndPackedData[0].w = posWorld.x;o.tangentToWorldAndPackedData[1].w = posWorld.y;o.tangentToWorldAndPackedData[2].w = posWorld.z;#elseo.posWorld = posWorld.xyz;#endif#endif
     

   • vertForwardAdd：直接存储世界位置

      o.posWorld = posWorld.xyz;
     

3. 环境光或光照贴图UV：

   • vertForwardBase：计算并设置环境光或光照贴图UV。

     o.ambientOrLightmapUV = VertexGIForward(v, posWorld, normalWorld);
     

   • vertForwardAdd：不涉及环境光或光照贴图UV的计算。

4. 光源方向的计算：

   • vertForwardBase：不涉及光源方向的计算。
   • vertForwardAdd：计算光源方向并存储在输出结构体中。

     float3 lightDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz - posWorld.xyz * _WorldSpaceLightPos0.w;
     #ifndef USING_DIRECTIONAL_LIGHTlightDir = NormalizePerVertexNormal(lightDir);
     #endif
     o.tangentToWorldAndLightDir[0].w = lightDir.x;
     o.tangentToWorldAndLightDir[1].w = lightDir.y;
     o.tangentToWorldAndLightDir[2].w = lightDir.z;
     

5. 视差映射：

   • vertForwardBase：将视图方向转换到切线空间，并存储在输出结构体中。

     #ifdef _PARALLAXMAPTANGENT_SPACE_ROTATION;half3 viewDirForParallax = mul(rotation, ObjSpaceViewDir(v.vertex));o.tangentToWorldAndPackedData[0].w = viewDirForParallax.x;o.tangentToWorldAndPackedData[1].w = viewDirForParallax.y;o.tangentToWorldAndPackedData[2].w = viewDirForParallax.z;
     #endif
     

   • vertForwardAdd：类似地将视图方向转换到切线空间，但存储方式不同。

     #ifdef _PARALLAXMAPTANGENT_SPACE_ROTATION;o.viewDirForParallax = mul(rotation, ObjSpaceViewDir(v.vertex));
     #endif
     

6. 实例ID和立体视觉设置：

   • vertForwardBase：包括 UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(v, o) 的调用，确保实例化渲染的支持。
   • vertForwardAdd：没有 UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(v, o) 的调用，但两者都初始化了立体视觉相关的输出。

总结

• vertForwardBase 主要用于基础前向渲染，包含 全局光照（GI）计算，适用于标准渲染路径。
• vertForwardAdd 主要用于 额外的光照计算（如点光源、聚光灯），没有 GI 计算，但增加了 光照方向计算，适用于 加法混合光照 的场景。
• vertForwardAdd 额外存储 光源方向，用于非方向光（如点光源、聚光灯）计算，而 vertForwardBase 只处理环境光和主光源。
• 两者都支持 视差贴图（Parallax Mapping） 和 雾效计算。

如果你是实现 基本光照，使用 vertForwardBase，如果你是实现 额外光源的累加计算，使用 vertForwardAdd。

四、fragForwardAddInternal

half4 fragForwardAddInternal(VertexOutputForwardAdd i)
{// 应用抖动交叉淡入效果，以减少纹理走样的视觉伪影UNITY_APPLY_DITHER_CROSSFADE(i.pos.xy);// 设置立体视觉的眼睛索引，确保正确处理立体渲染UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(i);// 设置片段着色器所需的各种参数，如颜色、法线等FRAGMENT_SETUP_FWDADD(s)// 计算当前像素的光照衰减（attenuation）UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, s.posWorld);// 获取附加光源的方向和衰减值，并生成 UnityLight 结构体UnityLight light = AdditiveLight(IN_LIGHTDIR_FWDADD(i), atten);// 初始化无间接光的 UnityIndirect 结构体UnityIndirect noIndirect = ZeroIndirect();// 使用物理基础渲染（PBR）计算最终的颜色// 参数包括：漫反射颜色、镜面反射颜色、反射率、光滑度、世界空间法线、视角方向、光源信息和间接光信息half4 c = UNITY_BRDF_PBS(s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.smoothness, s.normalWorld, -s.eyeVec, light, noIndirect);// 提取视图向量中的雾效坐标UNITY_EXTRACT_FOG_FROM_EYE_VEC(i);// 应用雾效，使颜色朝向黑色（在叠加通道中使用），避免颜色溢出UNITY_APPLY_FOG_COLOR(_unity_fogCoord, c.rgb, half4(0, 0, 0, 0));// 输出最终颜色，包含透明度return OutputForward(c, s.alpha);
}

五、fragForwardBaseInternal和fragForwardAddInternal的区别

fragForwardBaseInternal 和 fragForwardAddInternal 是两个不同的片段着色器函数，它们分别用于不同的渲染路径和光照计算方式。

主要区别

1. 光源处理：

   • fragForwardBaseInternal：处理主光源，并计算全局光照（GI）。它通过 FragmentGI 函数计算直接光照、环境光和间接光照。

     //主光源UnityLight mainLight = MainLight ();//全局光照UnityGI gi = FragmentGI (s, occlusion, i.ambientOrLightmapUV, atten, mainLight);
     

   • fragForwardAddInternal：仅处理附加光源（通常是点光源、聚光灯等），并且不计算间接光照（noIndirect）。

     //附加光源
     UnityLight light = AdditiveLight (IN_LIGHTDIR_FWDADD(i), atten);
     //不计算间接光照
     UnityIndirect noIndirect = ZeroIndirect ();
     

2. 全局光照（GI）：

   • fragForwardBaseInternal：包含完整的全局光照计算，包括环境光、遮挡（AO）和间接光。

     half4 c = UNITY_BRDF_PBS (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.smoothness, s.normalWorld, -s.eyeVec, gi.light, gi.indirect);
     

   • fragForwardAddInternal：不涉及全局光照，只处理直接光照。

     half4 c = UNITY_BRDF_PBS (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.smoothness, s.normalWorld, -s.eyeVec, light, noIndirect);
     

3. 自发光（Emission）：

   • fragForwardBaseInternal：在最终颜色中添加了自发光效果。

     c.rgb += Emission(i.tex.xy);
     

   • fragForwardAddInternal：没有自发光的计算。

4. 雾效处理：

   • fragForwardBaseInternal：使用 _unity_fogCoord 应用标准雾效。

     UNITY_APPLY_FOG(_unity_fogCoord, c.rgb);
     

   • fragForwardAddInternal：应用雾效时将颜色混合为黑色（half4(0, 0, 0, 0)），这通常用于叠加通道以避免颜色溢出。

      UNITY_APPLY_FOG_COLOR(_unity_fogCoord, c.rgb, half4(0,0,0,0));
     

5. 输入结构体：

   • fragForwardBaseInternal：使用 VertexOutputForwardBase 输入结构体，包含更多信息（如纹理坐标、法线等）。
   • fragForwardAddInternal：使用 VertexOutputForwardAdd 输入结构体，可能包含较少的信息，专注于附加光源的计算。

6. 实例化和立体视觉设置：

   • fragForwardBaseInternal：包含了 UNITY_SETUP_INSTANCE_ID 和 UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX 的调用，确保实例化和立体视觉支持。
   • fragForwardAddInternal：同样包含这些调用，但可能由于附加光源的特殊性，对这些设置的需求有所不同。

总结

• fragForwardBaseInternal：适用于基本的前向渲染路径，处理所有类型的光源（包括主光源）和全局光照，提供更全面的光照计算。
• fragForwardAddInternal：适用于附加光源的前向渲染路径，主要用于叠加额外的点光源或聚光灯，简化了光照计算，不涉及全局光照和自发光。

这两种函数的设计目的是为了优化不同场景下的渲染效率，同时保证渲染质量和效果的一致性。