3D跑酷游戏开发入门指南(6)：使用shader构建立体的3D场景

# 1. 理解shader在3D游戏中的作用

## 1.1 什么是shader
在3D游戏中，shader是一种用于控制图形渲染的程序。它主要用于在图形处理器（GPU）上执行计算，以实现特定的渲染效果。简单来说，shader定义了物体的表面颜色、纹理、光照等属性，决定了最终呈现在屏幕上的图像效果。

## 1.2 shader在游戏开发中的应用
在游戏开发中，shader是不可或缺的一部分。它可以用来实现各种各样的效果，如光照效果、阴影效果、水面效果、镜面反射等。通过运用不同的shader技巧，开发者可以创建出逼真的3D场景，并且提升游戏的视觉效果和沉浸感。

## 1.3 shader对3D场景的影响
shader对3D场景的影响非常大，它能够改变物体的表面属性，使其看起来更加真实。例如，通过添加光照shader可以模拟光照效果，使物体在不同的光照条件下呈现出不同的表现；通过使用阴影shader，可以为物体添加阴影效果，增强场景的逼真感。总之，shader能够为3D场景增添各种细节与效果，提升游戏的视觉质量。

# 2. 掌握常见的shader编程语言

在3D游戏开发中，shader是至关重要的一环。了解常见的shader编程语言，能够帮助开发者更好地理解和进行shader的编写工作。本章将介绍几种常见的shader编程语言：GLSL、HLSL和CG，供开发者参考和学习。

### 2.1 GLSL语言简介

GLSL（OpenGL Shading Language）是OpenGL的一种编程语言，用于编写OpenGL中的shader。GLSL使用C语言风格的语法，可以在OpenGL中控制图形渲染的各个方面。以下是一个简单的GLSL示例代码：

#version 330

in vec3 position;
in vec3 normal;
out vec4 fragColor;

uniform mat4 modelMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 projectionMatrix;
uniform vec3 lightPosition;

void main()
{
    vec3 transformedNormal = mat3(modelMatrix) * normal;
    vec3 eyeDirection = normalize(vec3(0.0) - position);
    vec3 lightDirection = normalize(lightPosition - position);
    float intensity = max(dot(transformedNormal, lightDirection), 0.0);
    fragColor = vec4(intensity, intensity, intensity, 1.0);
    gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(position, 1.0);
}

上面的代码定义了一个简单的顶点着色器（vertex shader），它根据模型矩阵、视图矩阵和投影矩阵对顶点进行变换，并根据光照计算出每个顶点的颜色。

### 2.2 HLSL语言概述

HLSL（High-Level Shader Language）是微软的一种编程语言，用于编写DirectX中的shader。HLSL与GLSL类似，也是基于C语言风格的语法。以下是一个简单的HLSL示例代码：

cbuffer ConstantBuffer : register(b0)
{
    matrix World;
    matrix View;
    matrix Projection;
    float3 LightPosition;
}

struct VSInput
{
    float3 Position : POSITION;
    float3 Normal : NORMAL;
};

struct PSInput
{
    float4 Position : SV_POSITION;
    float3 Normal : NORMAL;
};

PSInput VSMain(VSInput input)
{
    PSInput output;

    output.Position = mul(mul(mul(float4(input.Position, 1.0), World), View), Projection);
    output.Normal = mul(float4(input.Normal, 0.0), World).xyz;

    return output;
}

float4 PSMain(PSInput input) : SV_TARGET
{
    float3 transformedNormal = normalize(input.Normal);
    float3 eyeDirection = normalize(float3(0.0, 0.0, 0.0) - input.Position.xyz);
    float3 lightDirection = normalize(LightPosition - input.Position.xyz);
    float intensity = max(dot(transformedNormal, lightDirection), 0.0);

    return float4(intensity, intensity, intensity, 1.0);
}

上面的代码定义了一个简单的顶点着色器和像素着色器，根据世界矩阵、视图矩阵和投影矩阵对顶点进行变换，并根据光照计算出每个像素的颜色。

### 2.3 CG语言基础

CG（C for Graphics）是NVIDIA开发的一种跨平台的shader编程语言。CG语言基于C语言风格的语法，并针对图形渲染进行了优化和扩展。以下是一个简单的CG示例代码：

struct appdata {
    float4 vertex : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
};

struct v2f {
    float4 position : SV_POSITION;
    float3 normal : TEXCOORD0;
};

v2f vert(appdata v) {
    v2f o;

    o.position = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

    return o;
}

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
    float3 transformedNormal = normalize(i.normal);
    float3 eyeDirection = normalize(float3(0.0, 0.0, 0.0) - i.position.xyz);
    float3 lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0 - i.position.xyz);
    float intensity = max(dot(transformedNormal, lightDirection), 0.0);

    return fixed4(intensity, intensity, intensity, 1.0);
}

上面的代码定义了一个简单的顶点函数和片元函数，使用Unity提供的内置函数对顶点进行变换，并根据光照计算出每个片元的颜色。

以上介绍了常见的shader编程语言：GLSL、HLSL和CG。开发者可以根据项目需要选择合适的语言进行shader的开发工作。通过学习和掌握这些语言，开发者将能更加灵活地运用shader来实现各种炫酷的效果。

# 3. 使用shader模拟光影效果

在3D游戏中，光影效果对于营造真实的场景和增加游戏的视觉效果至关重要。在本章中，我们将介绍如何使用shader来模拟光影效果，并实现基本的光照和阴影。

#### 3.1 理解光照模型

在开始实现光影效果之前，我们首先需要理解光照模型的基本原理。光照模型描述了光线在物体表面上的交互和反射情况，具体包括环境光、漫反射光、镜面反射光等。

- 环境光是指在没有明确光源的情况下，环境中普遍存在的光线。它使物体表面的颜色有一种整体的明亮感。在shader中，我们可以通过设置环境光的强度来调整表现。

- 漫反射光是指光线直接照射到物体表面后，根据物体表面的法线和光线的入射角度，产生的反射光。它使物体表面呈现出不同的亮度和颜色。在shader中，我们需要计算光线和法线的夹角来得到漫反射光的亮度。

- 镜面反射光是指光线照射到光滑表面后，根据入射角、视图方向和表面法线计算得出的反射光。镜面反射光使物体表面呈现出光亮的高光效果。在shader中，我们需要计算镜面反射光的强度和大小。

#### 3.2 实现基本的光照效果

为了实现基本的光照效果，我们需要在shad