3D 着色器：RimLight

3D 着色器：RimLight

本文将通过实现一个 RimLight 效果，来演示如何编写一个在 Cocos 可用于 3D 模型渲染的着色器（Cocos Effect）。

RimLight 也称为“内发光”/“轮廓光”/“边缘光”（本文统一使用边缘光），是一种通过使物体的边缘发出高亮，让物体更加生动的技术。

RimLight 是菲涅尔现象1的一种应用，通过计算物体法线和视角方向的夹角的大小，调整发光的位置和颜色，是一种简单且高效的提升渲染效果的着色器。

在边缘光的计算中，视线和法线的夹角越大，则边缘光越明显。

新建材质与着色器

首先参考着色器资源新建一个名为 rimlight.effect 的着色器，并创建一个使用该着色器的材质 rimlight.mtl。

CCEffect

Cocos Effect 使用 YAML 作为解析器，因此 CCEffect 的写法需要遵守 YAML 的语法标准，对于这块的内容可以参考 YAML 101。

在本示例中，将暂时不考虑半透明效果，此时可以将 transparent 部分删掉。

# 删除如下的部分
- name: transparent
    passes:
    - vert: general-vs:vert # builtin header
      frag: rimlight-fs:frag
      blendState:
        targets:
        - blend: true
          blendSrc: src_alpha
          blendDst: one_minus_src_alpha
          blendSrcAlpha: src_alpha
          blendDstAlpha: one_minus_src_alpha
      properties: *props

将 opaque 部分的 frag 函数修改为： rimlight-fs:frag，这是接下来要实现的边缘光的片元着色器部分。

- name: opaque
  passes:
  - vert: general-vs:vert # builtin header
    frag: rimlight-fs:frag

为了方便调整边缘光的颜色，增加一个用于调整边缘光颜色的属性 rimLightColor，由于不考虑半透明，只使用该颜色的 RGB 通道：

rimLightColor:  { value: [1.0, 1.0, 1.0],   # RGB 的默认值
                  target: rimColor.rgb,     # 绑定到 Uniform rimColor 的 RGB 通道上
                  editor: {                 # 在 material 的属性检查器内的样式定义
                    displayName: Rim Color, # 显示 Rim Color 作为显示名称 
                    type: color } }         # 该字段的类型为颜色值

此时的 CCEffect 代码：

CCEffect %{
  techniques:
  - name: opaque
    passes:
    - vert: general-vs:vert # builtin header
      frag: rimlight-fs:frag
      properties: &props
        mainTexture:    { value: white } 
        mainColor:      { value: [1, 1, 1, 1], editor: { type: color } }    
        # Rim Light 的颜色，只依赖 RGB 三个通道的分量
        rimLightColor:  { value: [1.0, 1.0, 1.0], target: rimColor.rgb, editor: { displayName: Rim Color, type: color } }
}%

注意：需要在片元着色器的 uniform Constant 内增加对应的 rimColor 字段：
uniform Constant {        
    vec4 mainColor;    
    vec4 rimColor;  
};

这个绑定意味着着色器的 rimLightColor 的 RGB 分量的值会通过引擎传输到 Uniform rimColor 的 rgb 三个分量里。

注意：引擎规定不能使用 vec3 类型的矢量来避免 implict padding，因此在使用 3 维向量（vec3）时，可选择用 4 维向量（vec4）代替。不用担心，alpha 通道会被利用起来不被浪费。

顶点着色器

通常引擎内置的顶点着色器可以满足大部分的开发需求，因此可以直接采用引擎内置的通用顶点着色器：

 - vert: general-vs:vert # builtin header

片元着色器

修改通过 资源管理器 创建的着色器中的片元着色器代码，将 CCProgram unlit-fs 修改为 CCProgram rimlight-fs。

修改前：

CCProgram unlit-fs %{
  precision highp float;
  ...
}%

修改后：

CCProgram rimlight-fs %{
  precision highp float;
  ...
}%

在光照计算中，通常都需要计算法线和视线的夹角，而视线的计算和 摄像机位置 紧密相关。

如上图所示，如果要计算视线，需要通过 摄像机位置 减去 物体的位置。在着色器内，想要获取 摄像机位置，需要使用全局 Uniform 中的 cc_cameraPos，该变量存放于 cc-global 着色器片段内。通过 include 关键字，可以方便的引入整个着色器片段。

#include <cc-global>  // 包含 Cocos Creator 内置全局变量

着色器代码：

CCProgram rimlight-fs %{
  precision highp float;  
  #include <cc-global>  // 包含 Cocos Creator 内置全局变量  
  #include <output>
  #include <cc-fog-fs>
  ...
}

视线方向的计算是通过当前相机的位置（cc_cameraPos）减去片元着色器内由顶点着色器传入的位置信息 in vec3 v_position：

vec3 viewDirection = cc_cameraPos.xyz - v_position; // 计算视线的方向

我们不关心视线向量的长度，因此得到 viewDirection 后，通过 normalize 方法进行归一化处理：

vec3 normalizedViewDirection = normalize(viewDirection);  // 对视线方向进行归一化

cc_cameraPos 的 xyz 分量表示了相机的位置。

此时的片元着色器代码：

  vec4 frag(){ 
    vec3 viewDirection = cc_cameraPos.xyz - v_position; // 计算视线的方向
    vec3 normalizedViewDirection = normalize(viewDirection);  // 对视线方向进行归一化
    vec4 col = mainColor * texture(mainTexture, v_uv); // 计算最终的颜色
    CC_APPLY_FOG(col, v_position);
    return CCFragOutput(col);  
  }

接下来需要计算法线和视角的夹角，由于使用的是内置标准顶点着色器 general-vs:vert，法线已由顶点着色器传入到片元着色器，但是没有被声明，若要在片元着色器里面使用，只需在代码中增加：

in vec3 v_normal;

此时的片元着色器：

CCProgram rimlight-fs %{
  precision highp float;
  #include <cc-global>
  #include <output>
  #include <cc-fog-fs>
  in vec2 v_uv;
  in vec3 v_normal;
  in vec3 v_position;
  ....
}

法线由于管线的插值，不再处于归一化状态，因此需要对法线进行归一化处理，使用 normalize 函数进行归一化：

vec3 normal = normalize(v_normal);  // 重新归一化法线。

此时的 frag 函数：

vec4 frag(){ 
    vec3 normal = normalize(v_normal);  // 重新归一化法线。
    vec3 viewDirection = cc_cameraPos.xyz - v_position; // 计算视线的方向
    vec3 normalizedViewDirection = normalize(viewDirection);  // 对视线方向进行归一化
    vec4 col = mainColor * texture(mainTexture, v_uv); // 计算最终的颜色
    CC_APPLY_FOG(col, v_position);
    return CCFragOutput(col);  
}

这时可计算法线和视角的夹角，在线性代数里面，点积表示为两个向量的模乘以夹角的余弦值：

a·b = |a|*|b|*cos(θ)

通过简单的交换律可得出：

cos(θ) = a·b /(|a|*|b|)

由于法线和视角方向都已经归一化，因此他们的模为 1，点积的结果则表示为法线和视角的 cos 值。

cos(θ) = a·b

将其转化为代码：

dot(normal, normalizedViewDirection)

注意点积的计算可能会出现小于 0 的情况，而颜色是正值，通过 max 函数将其约束在 [0, 1] 这个范围内：

max(dot(normal, normalizedViewDirection), 0.0)

此时可根据点积的结果来调整 RimLight 的颜色：

float rimPower = max(dot(normal, normalizedViewDirection), 0.0);// 计算 RimLight 的亮度
vec4 col = mainColor * texture(mainTexture, v_uv); // 计算最终的颜色
col.rgb += rimPower * rimColor.rgb; // 增加边缘光

着色器代码如下：

vec4 frag(){ 
    vec3 normal = normalize(v_normal);// 重新归一化法线。
    vec3 viewDirection = cc_cameraPos.xyz - v_position; // 计算视线的方向
    vec3 normalizedViewDirection = normalize(viewDirection);  // 对视线方向进行归一化
    float rimPower = max(dot(normal, normalizedViewDirection), 0.0); // 计算 RimLight 的亮度
    vec4 col = mainColor * texture(mainTexture, v_uv); // 计算最终的颜色
    col.rgb += rimPower * rimColor.rgb; // 增加边缘光
    CC_APPLY_FOG(col, v_position);
    return CCFragOutput(col);  
}

可观察到物体中心比边缘更亮，这是因为边缘顶点的法线和视角的夹角更大，得到的余弦值更小。

注意：此步骤若无法观察到效果，可调整 MainColor 使其不为白色。因为默认的 MainColor 颜色是白色，遮盖了边缘光的颜色。

要调整这个结果，只需用 1 减去点积的结果即可，删除下面的代码：

float rimPower = max(dot(normal, normalizedViewDirection), 0.0);

并增加：

float rimPower = 1.0 - max(dot(normal, normalizedViewDirection), 0.0);

片元着色器代码：

vec4 frag(){ 
    vec3 normal = normalize(v_normal);  // 重新归一化法线。
    vec3 viewDirection = cc_cameraPos.xyz - v_position; // 计算视线的方向
    vec3 normalizedViewDirection = normalize(viewDirection);  // 对视线方向进行归一化
    float rimPower = 1.0 - max(dot(normal, normalizedViewDirection), 0.0);
    vec4 col = mainColor * texture(mainTexture, v_uv); // 计算最终的颜色
    col.rgb += rimPower * rimColor.rgb; // 增加边缘光
    CC_APPLY_FOG(col, v_position);
    return CCFragOutput(col);  
}

虽然可观察到边缘光效果，但是光照太强，并且不方便调整，可在着色器的 CCEffect 段内增加一个可调整的参数 rimIntensity。由于之前 rimColor 的 alpha 分量没有被使用到，因此借用该分量进行绑定可节约额外的 Uniform。

注意：写着色器时，需要避免 implict padding，关于这点可以参考: UBO 内存布局，这里使用未被使用的 alpha 通道来存储边缘光的强度可以最大限度的利用 rimColor 的字段。

在 CCEffect 内增加如下代码：

rimInstensity:  { value: 1.0,         # 默认值为 1 
                  target: rimColor.a, # 绑定到 rimColor 的 alpha 通道
                  editor: {           # 属性检查器的样式
                  slide: true,        # 使用滑动条来作为显示样式
                  range: [0, 10],     # 滑动条的值范围
                  step: 0.1 }         # 每次点击调整按钮时，数值的变化值

此时的 CCEffect 代码：

CCEffect %{
  techniques:
  - name: opaque
    passes:
    - vert: general-vs:vert # builtin header
      frag: rimlight-fs:frag
      properties: &props
        mainTexture:    { value: white } 
        mainColor:      { value: [1, 1, 1, 1], editor: { type: color } }    
        # Rim Light 的颜色，只依赖 rgb 三个通道的分量
        rimLightColor:  { value: [1.0, 1.0, 1.0], target: rimColor.rgb, editor: { displayName: Rim Color, type: color } }
        # rimLightColor 的 alpha 通道没有被用到，复用该通道用来描述 rimLightColor 的强度。
        rimInstensity:  { value: 1.0, target: rimColor.a, editor: {slide: true, range: [0, 10], step: 0.1}}   
}%

增加此属性后，材质 属性检查器 上会增加可调整的 RimIntensity：

通过 pow 函数调整边缘光，使其范围不是线性变化，可体现更好的效果，删除如下代码：

col.rgb += rimPower * rimColor.rgb;

新增下列代码：

float rimInstensity = rimColor.a; // alpha 通道为亮度的指数
col.rgb += pow(rimPower, rimInstensity) * rimColor.rgb;  // 使用 ‘pow’ 函数对点积进行指数级修改

pow 是 GLSL 的内置函数，其形式为：pow(x, p)，代表以 x 为底数，p 为指数的指数函数。

最终片元着色器代码：

  vec4 frag(){ 
    vec3 normal = normalize(v_normal);  // 重新归一化法线。
    vec3 viewDirection = cc_cameraPos.xyz - v_position; // 计算视线的方向
    vec3 normalizedViewDirection = normalize(viewDirection);  // 对视线方向进行归一化
    float rimPower = 1.0 - max(dot(normal, normalizedViewDirection), 0.0);// 计算 RimLight 的亮度
    vec4 col = mainColor * texture(mainTexture, v_uv); // 计算最终的颜色
    float rimInstensity = rimColor.a;  // alpha 通道为亮度的指数
    col.rgb += pow(rimPower, rimInstensity) * rimColor.rgb; // 增加边缘光
    CC_APPLY_FOG(col, v_position);  
    return CCFragOutput(col);  
  }

之后将材质 属性检查器 上的 rimIntensity 的值修改为 3：

此时可观察到边缘光照更自然：

通过 Rim Color 和 rimIntensity 可方便的调整边缘光的颜色和强度：

完整的着色器代码：

CCEffect %{
  techniques:
  - name: opaque
    passes:
    - vert: general-vs:vert # builtin header
      frag: rimlight-fs:frag
      properties: &props
        mainTexture:    { value: white } 
        mainColor:      { value: [1, 1, 1, 1], editor: { type: color } }    
        # Rim Light 的颜色，只依赖 rgb 三个通道的分量
        rimLightColor:  { value: [1.0, 1.0, 1.0], target: rimColor.rgb, editor: { displayName: Rim Color, type: color } }
        # rimLightColor 的 alpha 通道没有被用到，复用该通道用来描述 rimLightColor 的强度。
        rimInstensity:  { value: 1.0, target: rimColor.a, editor: {slide: true, range: [0, 10], step: 0.1}}   
}%
CCProgram rimlight-fs %{
  precision highp float;
  #include <cc-global>
  #include <output>
  #include <cc-fog-fs>
  in vec2 v_uv;
  in vec3 v_normal;
  in vec3 v_position;
  uniform sampler2D mainTexture;
  uniform Constant {
    vec4 mainColor;
    vec4 rimColor;  
  }; 
  vec4 frag(){     
    vec3 normal = normalize(v_normal);  // 重新归一化法线。
    vec3 viewDirection = cc_cameraPos.xyz - v_position; // 计算视线的方向
    vec3 normalizedViewDirection = normalize(viewDirection);  // 对视线方向进行归一化
    float rimPower = 1.0 - max(dot(normal, normalizedViewDirection), 0.0);// 计算 RimLight 的亮度
    vec4 col = mainColor * texture(mainTexture, v_uv); // 计算最终的颜色
    float rimInstensity = rimColor.a;  // alpha 通道为亮度的指数
    col.rgb += pow(rimPower, rimInstensity) * rimColor.rgb; // 增加边缘光
    CC_APPLY_FOG(col, v_position); 
    return CCFragOutput(col);  
  }
}%

若要让边缘光的颜色受纹理颜色的影响，可将下列代码：

col.rgb += pow(rimPower, rimInstensity) * rimColor.rgb; // 增加边缘光

改为：

col.rgb *= 1.0 + pow(rimPower, rimInstensity) * rimColor.rgb; // 边缘光受物体着色的影响

此时的边缘光则会受到最终纹理和顶点颜色的影响：

菲涅尔现象：奥古斯丁·让·菲涅耳是 18 世纪法国著名的物理学家，他提出的菲涅尔方程很好的解释了光线的反射和折射的关系。如果去观察阳光照射下的平静水面可以发现，距离观察点越远的水面反射越强烈，这种光线强度随着观察角度变化而变化的现象，被称为菲涅尔现象。↩