图形学与unity shader笔记

(转载一个之前的文章，之后应该会继续更新)

第一回 从与渲染无关的东西开始

今天2019年4月3日，在这个多云的日子，我的手绘屏出了问题，连不上电脑了，同时我的全局光照的书也到货了，于是终于开始更新鸽了很久的shader笔记，算是对自己已经点亮了的渲染科技做一个总结，并且如果有新的科技被点亮了也会更新到笔记。

以及本人才疏学浅，难免有错漏之处_(:з」∠)_

巧妇难为无米之炊，不清楚有什么素材可以拿来用，以及我们工作的环境，就开始拿了本shader的书开始啃或者开始看教程，肯定是不OK的。因此我们先从一些与渲染无关的东西开始。

游戏的组成

对于策划来说，游戏是由内嵌层、动态层、文化层组成的，每一层又都有各自的机制、美学、叙事、技术。（参见《游戏设计、原型与开发》）

但是对于一个技术美术来说，游戏应当是由，物理引擎、游戏引擎（管理游戏生命周期、加载资源、保存存档、网络功能、玩家控制器、敌人AI、播放音频等）、渲染管线、着色器、美术资源、后处理（可以算作渲染管线的一部分），这些东西组成的。同时需要指出的一点是，游戏内的特效是一个很特殊的存在，一个好的特效几乎同时牵扯到上述所有东西，而且是需要专人来做的，但这里姑且只是当做一些技术的组合。

今天，主要概述一下游戏引擎做了什么，以及我们一般用哪些软件来创造游戏的美术资源。

游戏引擎（这里只介绍Unity，其他引擎自行查阅引擎API，思路大同小异）

首先是Awake阶段，在这个阶段Unity会按照布置好的场景实例化（不知道实例化是啥的出门左转C#教程）所有GameObject及其Component，但是相互之间不能获取对方（实质是所有GameObject都是Disable的），因为Unity不能保证加载的顺序。

然后Unity会Enable所有已实例化的GameObject，并调用所有MonoBehavior的OnEnable方法。（这里有个常见的Bug就是OnEnable调用了Start阶段才会获取的内容，如果是在刚开始游戏的时候抛出一个异常之后就再也找不到了往往是这个原因，OnEnable不止在手动Enable的时候被调用）

在Start阶段中，Unity会调用所有MonoBehavior的Start方法（所有阶段MonoBehavior的对应方法都会被调用，此后不再赘述），在此阶段中应当初始化绝大部分要用到的变量与引用，尤其是GameObject.Find与绝大部分类似的遍历查找都应当在此阶段中完成，因为这真的非常消耗性能。

在FixedUpdate阶段中，往往需要处理与运动、物理有关的脚本，因为如果每帧运行的时间超过了设定好的fixed time step，那么整个物理阶段可能会在一帧中运行多次以补偿物理速度。如果在Update阶段中处理运动可能会导致各种不可预料的BUG，比如莫名其妙触发了本不该触发的碰撞之类的。在FixedUpdate之后会对所有的RigidBody进行一次全局的物理解算。

在全局物理解算之后，会先调用所有被触发的Trigger，再调用所有被触发的Collision，关于碰撞的具体触发方式与内容可以百度。

OnMouseEnter的鼠标触发事件到底是怎么触发的，目前还处于知识盲区，只是随便用的话经常会出现该触发不触发，不该触发的时候触发了的状况，迷。

然后是最常用的Update阶段，大部分的游戏逻辑与播放动画之类的应当在此处完成。在Update阶段后会解算所有物体的动画，然后再进行LateUpdate，大部分动力学骨骼的动画应当在LateUpdate重新解算，不然可能会发生穿模。

之后就是Rendering阶段，这个阶段内部方法的调用顺序与会发生的事情我们到讲渲染管线的时候再叙述。

然后会进行Gizmos与GUI阶段，这两个阶段我尚不非常清楚（我尚没有用过Unity自己的GUI系统，一直在自己造轮子）

之后如果应用程序因为切换前后台、手动暂停的原因暂停了，会调用OnApplicationPause方法，如果没有暂停，脚本仍处于Enable状态，且GameObject没有被Destroy的，会跳转回FixedUpdate进行下一次游戏循环。如果在之前的阶段中Disable了某些脚本，那么那些脚本会进入OnDisable阶段，如果在之前的阶段中Destroy了某些GameObject，那么会首先会调用这个GameObject下所有Monobehavior的OnDisable方法，然后调用OnDestroy方法。

尚不知切换场景是否会触发OnApplicationQuit。

美术用软件

MAYA/3dsMax：这两个功能类似，放在一起说，对游戏制作来说是最常规的建模以及动画软件，我周围MAYA用的比较多，MAYA的特点就是基本啥功能都有，没有的功能基本也能找到插件，但也因此十分臃肿，说精通MAYA的每一个部分基本是不可能的，掌握自己需要的功能即可。模型与骨骼动画一般导出为.fbx之后导入Unity，MAYA可以做到连同材质一起送进Unity，但是效果不佳。顶点动画可以使用BlendShape与Alembic两种方法导入Unity，Alembic可以在Unity2018.2之后的版本的PackageManager中找到支持包，BlendShape限制很多而且不太好用，Alembic占用内存，具体使用哪种方法视需求而定。

Zbrush：3D雕刻软件，神器，十分强力，强烈安利，功能很多，非常好用，无法一言以蔽之。多用来雕刻角色、服装的细节，也有大神可以从一个球开始雕刻角色的，但是会导致面数爆炸，一般是用来制作高模，高模做好以后烘焙成低模的法线贴图。

Blender：新时代免费建模与动画软件，必要的功能都有，雕刻功能刚刚加入尚不成熟，插件很多而且安装起来很方便（虽然大部分是玩具），操作便捷（虽然对用惯了MAYA与3dxMax的人来说键位很奇怪），对于不想用盗版软件但是又掏不起钱的独立开发者很友好，而且做动画、绑骨骼的话在不考虑插件的情况下比MAYA好用，3dsMax未知。

Marvelous Designer：服装设计软件，操作便捷，哪怕不是服装设计专业、美术出身的也可以做出来不错的衣服，对于本身就会服装设计的人来说更是如虎添翼，而且可以用来解算布料动画，导出为Alembic格式导入Unity进行实时渲染，但是布料的解算是纯CPU的，没有任何GPU加速，所以服装如果复杂就会非常卡，除非是做过场动画，不然一般是设计一个基础的服装然后导进Zbrush进行细节的制作。

Substance B2M：从一张贴图生成法线贴图等各种贴图，算法很迷，效果一般，如果2D美术非常强力的同时3D美术略差，而且对画面的渲染有一定的需求，可以考虑。

Substance Designer：通过各种噪音图与算法合成程序化纹理，省时省力又视觉效果好，一般配合PBR流程使用与渲染，但既需要有一定的程序思维又需要有比较好的审美，国外技美有专门细分出来做程序纹理的，导出的纹理可以导入Substance Painter进行进一步的材质贴图合成，也可以直接导入Unity贴到物体上（需要插件支持）

Substance Painter：材质绘制软件，售价较为便宜（相对于MARI来说），一般配合Substance Designer使用，创造具有真实感的材质，同时具有根据高模烘焙各种贴图的功能，可以直接导出适配Unity Standard Shader的贴图以及适配Unity HDRP 的Lit Shader的贴图。

MARI：材质绘制软件，尚在学习中，不作评价。

HOUDINI：程序化模型制作软件，特效制作软件，功能强大，通过各种算法生成模型与特效，拿来做地形与场景速度快，做出来的模型干净，而且支持各种自定义的表达式，不过学习成本很高。做特效的话特效炫酷，解算真实，可以导出Alembic文件，也可以配合Unity的Houdini插件使用，不过要配合插件使用必须买正版，对于开销过大的特效可以考虑录制渲染后的序列帧配合Unity粒子系统的序列帧粒子使用。

Speed Tree：用于制作各种各样的植物，功能强大，大部分植物都可以直接生成出来，而且可以直接带着LOD导入Unity，做LOD的功夫都省了。

PhotoShop：图像合成软件，在游戏制作中的应用一般是对纹理贴图的微调，或者用来直接画手绘材质，以及一些手绘特效和自定义的特殊纹理贴图。

Quixel SUITE：材质绘制软件，有一个自带的MegaScan材质库，主要和Unreal搭配的比较好，但也可以做好材质、模型放进Unity，每月交月费可以免费下载几十个模型和材质，对于独立开发绰绰有余。

Topogun：重拓扑软件，主要用于将高模重新制作成不会损失太多细节的低模，虽然MAYA也能重拓扑但是这个的操作简单很多。

Revit：建筑设计软件，在制作现代建筑模型时比直接用MAYA方便很多。