Unity3D沉思录：材质系统概览
关于《Unity3D沉思录》
笔者在研究和使用Unity3D的过程中，获得了一些Unity3D方面的信息，同时也感叹Unity3D设计之精妙。不得不说，笔者最近几年的引擎研发工作中，早已习惯性的从Unity3D中寻找解决方案。
Unity3D虽比不上UE那么老练沉稳，气势磅礴。也比不上CE那样炫丽多姿，盛气凌人。但它的发展势如破竹，早已遍地生花！故而在此记录一些自己的心得体会，供大家参详交流。若有欠妥之处，还望各位及时指正。
什么是材质？
材质是一个相对广泛的概念，不同的专业领域有不同的定义。 在此也不一一举例说明了，我们只说在3D游戏引擎中，材质的定义。
材质的本质定义，是指能够描述一个物体的显示外观的一系列数据。它包括几个方面
1、渲染状态
渲染状态是指早期的setRenderState那一套东西。比如，前后面裁剪，是否开启混合，混合因子等等。
2、着色方式
着色方式，在固定管线年代，是通过一系列的API进设置。 在可编程管线年代。就对应的是我们的着色器代码。
3、参数
不管是固定管线还是非固定管线，我们都可以设置一些参数用于着色计算。比如颜色，光源信息等等
4、纹理贴图
纹理贴图是表现一个物体表现的颜色细节的必不可少的东西。就是一张张图片。
有了上面的这些数据后，我们就可以根据一定的运算规则，将一个几何体的质感显示为我们想要的样子。
材质系统的常见需求
一个工具或者系统的设计不可能是凭空而出的。 一定是根据需求和经验的积累，才形成了我们今天这种“材质系统”的概念。 说到这里，那么我们常见的材质系统需要做到什么样子呢。
一、模板 + 实例
材质是一个模板，通过对某一个材质进行实例化，指定不同的数据和贴图，就可以让物体表现出不同的显示效果。 和Class + Object的关系很像。
二、多Pass
有时候，我们为了实现一个绘制效果，靠单次绘制是无法实现的。比如描边效果。 这就要求我们单个物体能够在进行绘制的时候，多次提交材质并绘制。
三、多Technique
多Technique是指一个材质中，应该包含不只一个实现方案。 这样当我们进行材质更替，或者进行高中低端机适配的时候。 就不会那么麻烦。 同时在数据管理上，也显得更为规范。
四、高中低端机适配
高中低端机适配是一个很重要的特性，因为玩家的机型不可能是一样的。 在需要保证效率的情况下，我们很多时候需要降低物体渲染的复杂度。在 《3D游戏中的画质与效率适配》 一文中。笔者也描述过，有两种方案。 一种是通过宏定义，一种是动态切换Technique。
总结下来，就是说一个材质模板文件应该像这样的一个结构
MaterialTemplate
{
Technique
{
Pass{}
Pass{}
}
Technique
{
Pass{}
Pass{}
}
}
Unity3D中的材质系统
在说到Unity3D中的材质系统的时候，我们先来看一下我们创建一个材质需要做的事情。
一、创建一个Shader并编写出自己想要的效果
二、创建一个Material并将这个Material的Shader指定为自己的材质
三、为这个Material设置参数，赋上贴图等
四、将创建好的Material拖到对象上
我们再来看一个典型的Shader应该具备的内容
Shader "MyShader" {
Properties {
_MyTexture ("My Texture", 2D) = "white" { }
// other properties like colors or vectors go here as well
}
SubShader {
LOD 100
// here goes the 'meat' of your
// - surface shader or
// - vertex and program shader or
// - fixed function shader
Pass{}
Pass{}
}SubShader {
LOD 1000
// here goes a simpler version of the SubShader
// above than can run on older graphics cards
Pass{}
Pass{}
}
}
我们可以看到。 每一个Shader有多个SubShader，每一个SubShader有多个Pass。 这样看起来和我们前面提到的MaterialTemplate结构几乎一致。
而在Unity3D中。Shader就是材质模版。 Material就是一个材质实例。 每一个Material你可以认为是一个材质实例的序列化存储。
Unity3D中的材质LOD
那对于前面提到的 高中低端机适配。 有两种方法解决。一是通过宏定义，这个并不是Unity3D的推荐方式，且需要Shader编写的相关知识，在这里不作详细讨论。 如果有兴趣的朋友，可以访问括号中的链接（ http://docs.unity3d.com/Manual/SL-MultipleProgramVariants.html ），以后的文章在涉及Unity3D的Shader编写方面的内容时，再进行讨论。 在此主要讨论Unity3D中通过材质LOD进行画质控制。
在Unity3D的Shader中，可以为每一个SubShader指定一个LOD值，这个LOD值可以通过设置 Shader.globalMaximumLOD 和 Shader.maximumLOD 来实现SubShader的切换。所有的SubShader按顺序进行判定，当一个SubShader满足下面两个条件时，才表明可用。
1、SubShaderLOD值小于设定的值。（你可以把LOD看作是开销，开销越大的SubShader指定越高的LOD值）
2、SubShader所有Pass使用到的显卡特性被当前设备支持。
注：Shader API文档地址： http://docs.unity3d.com/ScriptReference/Shader.html
注：Shader LOD文档地址： http://docs.unity3d.com/Manual/SL-ShaderLOD.html
注：Unity3D为每一档的内置Shader都设置了一个默认值，在LOD文档中有
注：如果不指定LOD值，那LOD=infinite 。 你可以当它是一个小于0的值。
注：这个值除了可以自己给以外，还可以在Edit->Project Settings->Quality面板中指定，如下图
Unity3D中的材质替换
官方文档地址： http://docs.unity3d.com/Manual/SL-ShaderReplacement.html
有时候，我们希望能够进行一些特殊操作。将场景物体的按另一种渲染方式渲染到RT中。 比如，仅渲染物体的深度，把物体渲染成纯白，把物体渲染成红绿热成像模式等等。但是，我们的材质在一开始就指定好了。如果要替换的话，就需要遍历所有对像，为它们重新指定材质。渲染完毕后，再切换回来。Unity3D为我们提供了更直接的方式。 Camera.RenderWithShader 和 Camera.SetReplacementShader。 前者是仅作用一次，后者是一直生效，如果想取消设置。 使用 Camera.ResetReplacementShader 即可 。
那么问题来了，我们有时候只想渲染一些特殊的物体。比如，我们想处理除主角以外的内容。 这就需要对主角进行剔除。 那上面两个函数的第二个参数 replacementTag 就起作用了。如果设置了它，在进行材质替换时，它会和SubShader中的 RenderType的值 进行比对。 比如，我们即将替换的材质如下。
Shader "EffectShader" {
SubShader {
Tags { "RenderType"="Opaque" }
Pass {
...
}
}
SubShader {
Tags { "RenderType"="SomethingElse" }
Pass {
...
}
}
...
}
如果我们调用了camera.SetReplacementShader (EffectShader, "RenderType");那么，一个物体在被渲染时，会产生以下几种结果。
1、如果物体当前激活的SubShader的RenderType是Opaque，那么将会采用EffectShader的第一个SubShader。
2、如果物体当前激活的SubShader的RenderType是SomethingElse，那么将会采用EffectShader的第二个SubShader。
3、如果物体当前激活的SubShader的RenderType在EffectShader中没有与之对应的项，此物体将会在渲染中被忽略。
4、如果物体当前激活的SubShader没有RenderType这个Tag,此物体将会在渲染中被忽略。
结束语
Unity3D拥有着一个灵活的渲染管线和自由的材质系统。与其它图形引擎不一样的是，Unity3D针对游戏需求所留出来的接口非常好用。
而本文仅仅是对Unity3D的材质系统进行初步的描述。要想完全把Unity3D的材质系统总结出来，不是一两篇文章可以搞定的。Unity3D文档中的 Shader Reference可以作为一个十分不错的开始 http://docs.unity3d.com/Manual/SL-Reference.html
正文到此结束
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