第 1篇　基礎篇

第 1章　歡迎來到Shader的世界　2
1.1　程序員的三大浪漫　2
1.2　本書結構　3

第 2章　渲染流水線　5
2.1　綜述　5
2.1.1　什么是流水線　5
2.1.2　什么是渲染流水線　6
2.2　CPU和GPU之間的通信　7
2.2.1　把數據加載到顯存中　7
2.2.2　設置渲染狀態　8
2.2.3　調用Draw Call　8
2.3　GPU流水線　9
2.3.1　概述　9
2.3.2　頂點著色器　10
2.3.3　裁剪　11
2.3.4　屏幕映射　11
2.3.5　三角形設置　12
2.3.6　三角形遍歷　13
2.3.7　片元著色器　13
2.3.8　逐片元操作　14
2.3.9　總結　17
2.4　一些容易困惑的地方　18
2.4.1　什么是OpenGL/DirectX　18
2.4.2　什么是HLSL、GLSL、CG　19
2.4.3　什么是Draw Call　20
2.4.4　什么是固定管線渲染　22
2.5　那么，你明白什么是Shader了嗎　23
2.6　擴展閱讀　23

第3章　Unity Shader基礎　24
3.1　Unity Shader概述　25
3.1.1　一對好兄弟：材質和Unity Shader　25
3.1.2　Unity中的材質　26
3.1.3　Unity中的Shader　26
3.2　Unity Shader的基礎：ShaderLab　28
3.3　Unity Shader的結構　29
3.3.1　給我們的Shader起個名字　29
3.3.2　材質和Unity Shader的橋梁：Properties　29
3.3.3　重量級成員：SubShader　31
3.3.4　留一條后路：Fallback　33
3.3.5　ShaderLab還有其他的
語義嗎　33
3.4　Unity Shader的形式　33
3.4.1　Unity的寵兒：表面著色器　34
3.4.2　**聰明的孩子：頂點/片元著
色器　35
3.4.3　被拋棄的角落：固定函數著
色器　35
3.4.4　選擇哪種Unity Shader形式　36
3.5　本書使用的Unity Shader形式　36
3.6　答疑解惑　36
3.6.1　Unity Shader != 真正的Shader　36
3.6.2　Unity Shader和CG/HLSL之間的關系　37
3.6.3　我可以使用GLSL來寫嗎　38
3.7　擴展閱讀　38

第4章　學習Shader所需的數學基礎　39
4.1　背景：農場游戲　39
4.2　笛卡兒坐標系　40
4.2.1　二維笛卡兒坐標系　40
4.2.2　三維笛卡兒坐標系　41
4.2.3　左手坐標系和右手坐標系　42
4.2.4　Unity使用的坐標系　44
4.2.5　練習題　45
4.3　點和矢量　45
4.3.1　點和矢量的區別　46
4.3.2　矢量運算　47
4.3.3　練習題　53
4.4　矩陣　54
4.4.1　矩陣的定義　54
4.4.2　和矢量聯系起來　55
4.4.3　矩陣運算　55
4.4.4　特殊的矩陣　57
4.4.5　行矩陣還是列矩陣　60
4.4.6　練習題　61
4.5　矩陣的幾何意義：變換　62
4.5.1　什么是變換　62
4.5.2　齊次坐標　63
4.5.3　分解基礎變換矩陣　63
4.5.4　平移矩陣　64
4.5.5　縮放矩陣　64
4.5.6　旋轉矩陣　65
4.5.7　復合變換　66
4.6　坐標空間　67
4.6.1　為什么要使用這么多不同的坐標空間　68
4.6.2　坐標空間的變換　68
4.6.3　頂點的坐標空間變換過程　72
4.6.4　模型空間　73
4.6.5　世界空間　73
4.6.6　觀察空間　75
4.6.7　裁剪空間　77
4.6.8　屏幕空間　83
4.6.9　總結　85
4.7　法線變換　86
4.8　Unity Shader的內置變量（數學篇）　87
4.8.1　變換矩陣　87
4.8.2　攝像機和屏幕參數　88
4.9　答疑解惑　89
4.9.1　使用3×3還是4×4的
變換矩陣　89
4.9.2　CG中的矢量和矩陣類型　89
4.9.3　Unity中的屏幕坐標：ComputeScreenPos/VPOS/
WPOS　90
4.10　擴展閱讀　93
4.11　練習題答案　93
第 2篇　初級篇

第5章　開始Unity Shader學習之旅　100
5.1　本書使用的軟件和環境　100
5.2　一個**簡單的頂點/片元著色器　100
5.2.1　頂點/片元著色器的基本
結構　101
5.2.2　模型數據從哪里來　103
5.2.3　頂點著色器和片元著色器之間如何通信　104
5.2.4　如何使用屬性　105
5.3　強大的援手：Unity提供的內置文件和變量　107
5.3.1　內置的包含文件　107
5.3.2　內置的變量　109
5.4　Unity提供的CG/HLSL語義　109
5.4.1　什么是語義　109
5.4.2　Unity支持的語義　110
5.4.3　如何定義復雜的變量類型　110
5.5　程序員的煩惱：Debug　111
5.5.1　使用假彩色圖像　111
5.5.2　利用神 器：Visual Studio　113
5.5.3　**新利器：幀調試器　113
5.6　小心：渲染平臺的差異　115
5.6.1　渲染紋理的坐標差異　115
5.6.2　Shader的語法差異　116
5.6.3　Shader的語義差異　117
5.6.4　其他平臺差異　117
5.7　Shader整潔之道　117
5.7.1　float、half還是fixed　117
5.7.2　規范語法　118
5.7.3　避免不必要的計算　118
5.7.4　慎用分支和循環語句　119
5.7.5　不要除以0　119
5.8　擴展閱讀　120

第6章　Unity中的基礎光照　121
6.1　我們是如何看到這個世界的　121
6.1.1　光源　121
6.1.2　吸收和散射　122
6.1.3　著色　122
6.1.4　BRDF光照模型　123
6.2　標準光照模型　123
6.2.1　環境光　123
6.2.2　自發光　124
6.2.3　漫反射　124
6.2.4　高光反射　124
6.2.5　逐像素還是逐頂點　125
6.2.6　總結　125
6.3　Unity中的環境光和自發光　126
6.4　在Unity Shader中實現漫反射光照
模型　126
6.4.1　實踐：逐頂點光照　126
6.4.2　實踐：逐像素光照　129
6.4.3　半蘭伯特模型　130
6.5　在Unity Shader中實現高光反射
光照模型　131
6.5.1　實踐：逐頂點光照　132
6.5.2　實踐：逐像素光照　134
6.5.3　Blinn-Phong光照模型　135
6.6　召喚神龍：使用Unity內置的
函數　136

第7章　基礎紋理　139
7.1　單張紋理　140
7.1.1　實踐　140
7.1.2　紋理的屬性　142
7.2　凹凸映射　146
7.2.1　高度紋理　146
7.2.2　法線紋理　146
7.2.3　實踐　148
7.2.4　Unity中的法線紋理類型　154
7.3　漸變紋理　155
7.4　遮罩紋理　158
7.4.1　實踐　159
7.4.2　其他遮罩紋理　161

第8章　透明效果　162
8.1　為什么渲染順序很重要　163
8.2　Unity Shader的渲染順序　164
8.3　透明度測試　165
8.4　透明度混合　169
8.5　開啟深度寫入的半透明效果　171
8.6　ShaderLab的混合命令　173
8.6.1　混合等式和參數　173
8.6.2　混合操作　174
8.6.3　常見的混合類型　175
8.7　雙面渲染的透明效果　176
8.7.1　透明度測試的雙面渲染　176
8.7.2　透明度混合的雙面渲染　176
第3篇　中級篇

第9章　更復雜的光照　180
9.1　Unity的渲染路徑　180
9.1.1　前向渲染路徑　182
9.1.2　頂點照明渲染路徑　185
9.1.3　延遲渲染路徑　186
9.1.4　選擇哪種渲染路徑　188
9.2　Unity的光源類型　188
9.2.1　光源類型有什么影響　189
9.2.2　在前向渲染中處理不同的
光源類型　190
9.3　Unity的光照衰減　195
9.3.1　用于光照衰減的紋理　196
9.3.2　使用數學公式計算衰減　196
9.4　Unity的陰影　196
9.4.1　陰影是如何實現的　197
9.4.2　不透明物體的陰影　198
9.4.3　使用幀調試器查看陰影繪制過程　202
9.4.4　統一管理光照衰減和陰影　204
9.4.5　透明度物體的陰影　206
9.5　本書使用的標準Unity Shader　209

第 10章　高 級紋理　210
10.1　立方體紋理　210
10.1.1　天空盒子　210
10.1.2　創建用于環境映射的立方體
　紋理　212
10.1.3　反射　213
10.1.4　折射　215
10.1.5　菲涅耳反射　217
10.2　渲染紋理　219
10.2.1　鏡子效果　219
10.2.2　玻璃效果　220
10.2.3　渲染紋理 vs. GrabPass　224
10.3　程序紋理　225
10.3.1　在Unity中實現簡單的程序
　紋理　225
10.3.2　Unity的程序材質　228

第 11章　讓畫面動起來　230
11.1　Unity Shader中的內置變量
　（時間篇）　230
11.2　紋理動畫　230
11.2.1　序列幀動畫　230
11.2.2　滾動的背景　233
11.3　頂點動畫　234
11.3.1　流動的河流　234
11.3.2　廣告牌　236
11.3.3　注意事項　239
第4篇　高 級篇

第 12章　屏幕后處理效果　244
12.1　建立一個基本的屏幕后處理腳本
　系統　244
12.2　調整屏幕的亮度、飽和度和
　對比度　246
12.3　邊緣檢測　249
12.3.1　什么是卷積　249
12.3.2　常見的邊緣檢測算子　249
12.3.3　實現　250
12.4　高斯模糊　253
12.4.1　高斯濾波　253
12.4.2　實現　254
12.5　Bloom效果　259
12.6　運動模糊　263
12.7　擴展閱讀　266

第 13章　使用深度和法線紋理　267
13.1　獲取深度和法線紋理　267
13.1.1　背后的原理　267
13.1.2　如何獲取　269
13.1.3　查看深度和法線紋理　271
13.2　再談運動模糊　272
13.3　全局霧效　276
13.3.1　重建世界坐標　276
13.3.2　霧的計算　278
13.3.3　實現　278
13.4　再談邊緣檢測　283
13.5　擴展閱讀　287

第 14章　非真實感渲染　288
14.1　卡通風格的渲染　288
14.1.1　渲染輪廓線　288
14.1.2　添加高光　289
14.1.3　實現　290
14.2　素描風格的渲染　293
14.3　擴展閱讀　296
14.4　參考文獻　297

第 15章　使用噪聲　298
15.1　消融效果　298
15.2　水波效果　302
15.3　再談全局霧效　305
15.4　擴展閱讀　309
15.5　參考文獻　309

第 16章　Unity中的渲染優化技術　310
16.1　移動平臺的特點　310
16.2　影響性能的因素　311
16.3　Unity中的渲染分析工具　312
16.3.1　認識Unity 5的渲染統計
　窗口　312
16.3.2　性能分析器的渲染區域　313
16.3.3　再談幀調試器　313
16.3.4　其他性能分析工具　314
16.4　減少draw call數目　314
16.4.1　動態批處理　315
16.4.2　靜態批處理　316
16.4.3　共享材質　318
16.4.4　批處理的注意事項　318
16.5　減少需要處理的頂點數目　319
16.5.1　優化幾何體　319
16.5.2　模型的LOD技術　319
16.5.3　遮擋剔除技術　320
16.6　減少需要處理的片元數目　320
16.6.1　控制繪制順序　320
16.6.2　時刻警惕透明物體　321
16.6.3　減少實時光照和陰影　321
16.7　節省帶寬　322
16.7.1　減少紋理大小　322
16.7.2　利用分辨率縮放　323
16.8　減少計算復雜度　323
16.8.1　Shader的LOD技術　323
16.8.2　代碼方面的優化　323
16.8.3　根據硬件條件進行縮放　324
16.9　擴展閱讀　324
第5篇　擴展篇

第 17章　Unity的表面著色器探秘　328
17.1　表面著色器的一個例子　328
17.2　編譯指令　330
17.2.1　表面函數　330
17.2.2　光照函數　330
17.2.3　其他可選參數　331
17.3　兩個結構體　332
17.3.1　數據來源：Input結構體　332
17.3.2　表面屬性：SurfaceOutput
　結構體　333
17.4　Unity背后做了什么　334
17.5　表面著色器實例分析　336
17.6　Surface Shader的缺點　341

第 18章　基于物理的渲染　342
18.1　PBS的理論和數學基礎　342
18.1.1　光是什么　343
18.1.2　雙向反射分布函數
　（BRDF）　344
18.1.3　漫反射項　345
18.1.4　高光反射項　346
18.1.5　Unity中的PBS實現　347
18.2　Unity 5的Standard Shader　348
18.2.1　它們是如何實現的　348
18.2.2　如何使用Standard Shader　349
18.3　一個更加復雜的例子　352
18.3.1　設置光照環境　352
18.3.2　放置反射探針　355
18.3.3　調整材質　356
18.3.4　線性空間　356
18.4　答疑解惑　357
18.4.1　什么是全局光照　357
18.4.2　什么是伽馬校正　358
18.4.3　什么是HDR　361
18.4.4　那么，PBS適合什么樣的
　游戲　362
18.5　擴展閱讀　363
18.6　參考文獻　363

第 19章　Unity 5更新了什么　365
19.1　場景“更亮了”　365
19.2　表面著色器更容易“報錯了”　365
19.3　當家做主：自己控制非統一縮放的
　網格　366
19.4　固定管線著色器逐漸退出舞臺　366

第 20章　還有更多內容嗎　368
20.1　如果你想深入了解渲染的話　368
20.2　世界那么大　369
20.3　參考文獻　369