Cocos Creator 3.0 材质升级指南

本文将详细介绍 Cocos Creator 2.x 的材质升级到 v3.0 的注意事项。

1. 材质系统基础设计简介

1.1 Cocos Creator 的材质系统框架

材质系统自上至下由四个核心类组成,分别是 Material、Effect、Technique 和 Pass,它们的关系可以通过下面的类图来理解:

effect

Material

Material 资源可以看成是 EffectAsset 在场景中的资源实例,它本身的可配置参数有 effectAsset、technique、defines、states。

Effect

一个 Effect 资源代表一种材质类型,是材质系统中最重要的核心资源,如果希望在引擎中实现自定义的着色效果,需要书写自定义 Effect。

Technique

我们把完成一个最终效果的方案称为一个渲染技术 Technique,一个技术可由一个或多个 Pass 来融合完成。

Pass

一个 Pass 就是一次 GPU 绘制,一般包括一次顶点着色器和一次片元着色器,在 Creator 里 Pass 有很多可选配置参数。

1.2 Material 材质实例面板

Material 材质实例是所有开发者接触到的最直观的材质编辑窗口,所有实际材质实例的配置都是通过它完成的。

Cocos Creator 3.0 的 Material 实例面板如下:

effect

Cocos Creator 2.x 的 Material 实例面板如下:

effect

由上面两图可以看出 v3.0 的实例面板相比 v2.4 的会复杂不少,一方面是由于材质配置复杂度有所增加,另一方面也是因为面板功能有所增强。

材质面板的可配置项主要分为五种类型

  1. Effect 资源:下拉框会列出当前项目中所有的 Effect 资源,开发者可以选择当前材质使用的 Effect 资源。当切换了 Effect 后其他属性也会同步更新。
  2. Technique 渲染技术选择:下拉框会列出当前使用的 Effect 资源中所有的 Technique,Effect 资源中可能会存在多个 Technique,每个 Technique 适用于不同的情况,比如效果差一点但是性能更好的 Technique 更适合用于手机平台。
  3. Effect 中定义的宏选项:通过这些宏来控制某些代码是否可以被启用(对应逐个 Pass)。
  4. Effect 中定义的属性列表(根据宏定义动态开放),并且使用不同的输入框适应不同类型的属性。编辑器的可编辑属性一般是 shader 中的某个 uniform 的映射,从 v3.0 开始也可以指定某个分量的映射(在 Effect 中使用 target 参数)
  5. 在 v3.0 还新增了 PipelineStates 选项,主要用于定义材质依赖的管线状态,比如 DepthStencilState、BlendState、CullMode 等。

1.3 编辑器体验

v2.x 与 v3.0 在材质系统的编辑器体验上也有一定的区别。

v3.0 在 层级管理器 中选中包含模型和材质的节点后,属性检查器 面板会显示各组件属性以及详细的 Material 配置面板:

effect

而 v2.x 在 层级管理器 中选中包含模型和材质的节点后,属性检查器 面板只会显示各组件属性,并不会直接显示详细的 Material 配置面板:

effect

而是需要跳转到 资源管理器 面板选中 Material 资源才可以在 属性检查器 中编辑:

effect

2. Effect 资源

这个章节主要介绍资源在 v2.x 和 v3.0 的共性和差异。

2.1 Effect 格式和内容

Effect 资源方面,v2.x 和 v3.0 都是采用 YAML1.2 标准的语法和解析器,两个版本之间的差别不大。Effect 资源定义了一种材质类型,通过按照 语法格式 编写,可以定义以下信息:

  • Technique 渲染技术列表
  • 每个 Technique 的 pass 列表
  • 每个 Pass 中所暴露给编辑器可编辑的属性列表(包含编辑器内的数据类型指定、分量映射关系等)
  • 每个 Pass 的着色器程序,包含顶点和片元着色器程序

在语法细节方面,诸如 Property 声明和宏定义的方式都是一致的:

effect

effect

effect

2.2 预设材质类型

v2.x 和 v3.0 在预设值材质方面有比较大的区别。

  • v2.x 的预设材质包括 2D Sprite、经典的 blinn-phong 光照材质、无光照 unlit 材质、默认的卡通 toon 材质、粒子材质等。

  • v3.0 的预设材质则是基于物理的渲染体系,包含基于物理光照的 standard PBR 材质、Skybox、toon 卡通渲染材质、3D 粒子材质(CPU & GPU)、粒子拖尾材质、传统的 2D Sprite 材质等。

v3.0 默认的 standard 材质支持标准的 Physically Based Rendering (PBR) 流程,其中包含很多提升材质质量和真实感的贴图信息,比如漫反射贴图、法线贴图、金属度(metallic)、粗糙度(roughness)、环境光遮蔽(occlusion)等等。整套算法基于标准的 BRDF 光照模型,这些是 v2.x 所不具备的,整体画面表现上 v3.0 也比 v2.x 要高一个档次。

2.3 Effect 书写细节差异

尽管 Cocos Creator 的 Effect 语法规则在 v2.x 和 v3.0 基本是一致的,但很多内置的头文件、变量名以及函数名还是有区别的。

以获取主方向光源的方向为例,在 v3.0 里是 cc_mainLitDir,同时要包含头文件 cc-global。而在 v2.x 中想要获取光源方向要用到 cc_lightDirection[i] 这样一个数组,同时要包含头文件 cc-lights。具体的差异可参考下方第三点 API 升级指南 部分的介绍。

一些默认的着色器函数是 v3.0 独有的,例如 CCStandardShadingCCToonShading 等,这些在 v2.x 上是没有的。同样可以参考下方第三点 API 升级指南 部分的介绍。

关于 uniform 声明方面,v3.0 强制使用 UBO 来组织,内存布局方面强制最小单位为 vec4,不再支持单独声明 float 或 vec3 等类型的 uniform。

在头文件方面,v3.0 的编辑器内置头文件资源就在 Internal DBassets/chunks 目录下。引用时可以不加目录直接引用,主要包括一些常用的 工具函数标准光照模型 等。而 v2.x 的头文件是内置在编辑器中,无法直观地了解具体有哪些。

2.4 新增 Pass 选项

v3.0 新增了一些新的 Pass 选项:

  • PropertyIndex:指定这个 pass 的运行时 uniform 属性数据要和哪个 pass 保持一致,比如 forward add 等 pass 需要和 base pass 一致才能保证正确的渲染效果。一旦指定了此参数,材质面板上就不再会显示这个 pass 的任何属性。

  • embeddedMacros:指定在这个 pass 的 shader 基础上额外定义的常量宏。在多个 pass 的 shader 中只有宏定义不同时可使用此参数来复用 shader 资源。

详细的 Pass 参数请参考 参数列表

3. API 升级指南

3.1 内置 Uniform 差异列表

如果要在 shader 中使用内置变量,则需要包含对应头文件。下表是常用功能 uniform 汇总表,有很多功能 v2.x 与 v3.0 是一样的,而有一些是有区别的。

v2.x Header & Name v3.0 Header & Name Type 用途 版本差异性
cc-local.chunk & cc_matWorld cc-local.chunk & cc_matWorld mat4 模型空间转世界空间矩阵 无差异
cc-local.chunk & cc_matWorldIT cc-local.chunk & cc_matWorldIT mat4 模型空间转世界空间逆转置矩阵 无差异
cc-global.chunk & cc_time cc-global.chunk & cc_time vec4 x:自开始以来的全球时间,以秒为单位
y:当前帧的增量时间
z:自开始以来的总帧数
无差异
cc-global.chunk & cc_screenSize cc-global.chunk & cc_screenSize vec4 xy:屏幕尺寸
zw:屏幕尺寸倒数
无差异
cc-global.chunk & cc_screenScale cc-global.chunk & cc_screenScale vec4 xy:屏幕比例
zw:逆屏幕比例
无差异
cc-global.chunk & cc_nativeSize vec4 xy:实际着色缓冲的尺寸
zw:实际着色缓冲的尺寸倒数
v3.0 新功能,v2.x 没有
cc-global.chunk & cc_matView cc-global.chunk & cc_matView mat4 视图矩阵 无差异
cc-global.chunk & cc_matViewInv cc-global.chunk & cc_matViewInv mat4 视图逆矩阵 无差异
cc-global.chunk & cc_matProj cc-global.chunk & cc_matProj mat4 投影矩阵 无差异
cc-global.chunk & cc_matProjInv cc-global.chunk & cc_matProjInv mat4 投影逆矩阵 无差异
cc-global.chunk & cc_matViewProj cc-global.chunk & cc_matViewProj mat4 视图投影矩阵 无差异
cc-global.chunk & cc_matViewProjInv cc-global.chunk & cc_matViewProjInv mat4 视图投影逆矩阵 无差异
cc-global.chunk & cc_cameraPos cc-global.chunk & cc_cameraPos vec4 xyz:相机位置 无差异
cc-global.chunk & cc_exposure vec4 x:相机曝光
y:相机曝光倒数
z:是否启用 HDR
w:HDR 转 LDR 缩放参数
v3.0 新功能,v2.x 没有

另外,v2.x 与 v3.0 在光源和阴影方面差异很大,v3.0 相比 v2.x 有了很大的提升。下表列出了一些常用的功能 uniform。

v2.x Header & Name v3.0 Header & Name Type 用途 版本差异性
cc-lights.chunk & cc_lightDirection[CC_MAX_LIGHTS] cc-global.chunk & cc_mainLitDir vec4 得到光源方向 v2.x:单个模型在 shader 中执行一次绘制受多少盏灯光影响,默认最大值为 1.0。如果要获取位置信息,填写 0 即可。例如 cc_lightDirection[0]
v3.0:xyz:主方向光源方向
cc-lights.chunk & cc_lightColor[CC_MAX_LIGHTS] cc-global.chunk & cc_mainLitColor vec4 控制光的颜色强度 v2.x:光的 exp,就是光的 pow 强度。
v3.0:xyz — 主方向光颜色;w — 主方向光强度
cc-lights.chunk & CC_CALC_LIGHTS cc-global.chunk & cc_ambientSky v2.x:宏定义
v3.0:vec4
控制天空颜色强度 v2.x:这是一个宏,通过穿进去的 ambient 参数进行计算。而且还有函数重载,可以传入不同的参数。
v3.0:xyz — 天空颜色;w — 亮度
cc-global.chunk & cc_ambientGround vec4 xyz:地面反射光颜色 v3.0 新功能,v2.x 没有
cc-environment.chunk & cc_environment samplerCube xyz:IBL 环境贴图 v3.0 新功能,v2.x 没有

3.2 Shader 内建函数和变量

在 v3.0,如果需要对接引擎动态合批和 instancing 流程,需要包含 cc-local-batch 头文件,通过 CCGetWorldMatrix 工具函数获取世界矩阵。

v3.0 新增着色函数

  • CCStandardShading

    函数名 CCStandardShading 需要包含头文件 shading-standard.chunk,用于进行光照计算,构成 surface shader 流程。

      #include <shading-standard>
      #include <output-standard>
      void surf (out StandardSurface s) {
          // fill in your data here
      }
      vec4 frag () {
          StandardSurface s; surf(s);
          vec4 color = CCStandardShading(s);
          return CCFragOutput(color);
      }
    

    在此框架下可方便地实现自己的 surface 输入,或其他 shading 算法。

    注意CCFragOutput 函数一般不需要自己实现,它只起到与渲染管线对接的作用。且对于含有光照计算的输出,因为计算结果已经在 HDR 范围,所以应该包含 output-standard 头文件而非 output

  • CCToonShading

    函数名 CCToonShading,需要包含头文件 shading-toon.chunk,进行卡通渲染的光影计算。

      #include <shading-toon>
      #include <output-standard>
      void surf (out ToonSurface s) {
          // fill in your data here
      }
      vec4 frag () {
          ToonSurface s; surf(s);
          vec4 color = CCToonShading(s);
          return CCFragOutput(color);
      }
    

3.3 光影计算相关函数

v2.x 与 v3.0 的光影计算有很大不同,主要包括以下两部分内容。

球面光

v2.x 中的 点光源 在 v3.0 调整为 球面光,有很多现成的功能,使用时需要加入头文件 cc-forward-light.chunk,常用功能 uniform 如下表所示:

Name Type Info
cc_sphereLitPos[MAX_LIGHTS] vec4 xyz:球面光位置
cc_sphereLitSizeRange[MAX_LIGHTS] vec4 x:球光尺寸
y:球光范围
cc_sphereLitColor[MAX_LIGHTS] vec4 xyz:球光颜色
w:球光强度

更多详细信息请参考 常用 shader 内置 Uniform

聚光灯

v3.0 中的聚光灯有很多现成的功能,使用时需要加入头文件 cc-forward-light.chunk,常用功能 uniform 如下表所示:

Name Type Info
cc_spotLitPos[MAX_LIGHTS] vec4 xyz:聚光灯位置
cc_spotLitSizeRangeAngle[MAX_LIGHTS] vec4 x:聚光灯尺寸
y:聚光灯范围
z:聚光灯角度
cc_spotLitDir[MAX_LIGHTS] vec4 xyz:聚光灯方向
cc_spotLitColor[MAX_LIGHTS] vec4 xyz:聚光灯颜色
w:聚光灯强度

更多详细信息请参考 常用 shader 内置 Uniform

3.4 阴影部分

v2.x 与 v3.0 的阴影计算区别很大,v2.0 加入了头文件 shadow.chunk,而 v3.0 加入的是头文件 cc-shadow.chunk

v2.0 头文件 shadow.chunk 的常用功能 uniform 和函数如下所示

Name Type Info
cc_shadow_lightViewProjMatrix[CC_MAX_SHADOW_LIGHTS] mat4 在灯光坐标下绘制阴影贴图
cc_shadow_info[CC_MAX_SHADOW_LIGHTS] vec4 计算阴影偏移
Name(函数) Type Info
getDepth float 返回深度值
shadowSimple float 阴影的硬采样会有锯齿问题

v3.0 头文件 cc-shadow.chunk 的常用功能 uniform 如下所示

Name Type Info
cc_matLightPlaneProj mat4 平面阴影的变换矩阵
cc_shadowColor vec4 阴影颜色

ShadowPCF 软阴影

头文件 函数
v2.x:shadow.chunk shadowPCF3X33 * 3 采样)
shadowPCF5X55 * 5 采样)
v3.0:cc-shadow-map-fs.chunk CC_DIR_SHADOW_FACTOR:直接修改内存中阴影颜色的数值

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