材质系统总览

材质系统控制着每个模型最终的着色流程与顺序, 在引擎内相关类间结构如下: Assets

EffectAsset

EffectAsset 是由用户书写的着色流程描述文件, 详细结构及书写指南可以参考这里.
这里主要介绍引擎读取 EffectAsset 资源的流程:

在编辑器导入 EffectAsset 时, 会对用户书写的内容做一次预处理, 替换 GL 字符串为管线内常量, 提取 shader 信息, 转换 shader 版本等.
还以 builtin-unlit.effect 为例, 编译输出的 EffectAsset 结构大致是这样的:

{
  "name": "builtin-unlit",
  "techniques": [
    {"name":"opaque", "passes":[{"program":"builtin-unlit|unlit-vs:vert|unlit-fs:frag", "properties":{"mainTexture":{"value":"grey", "type":28}, "tilingOffset":{"value":[1, 1, 0, 0], "type":16}, "mainColor":{"value":[1, 1, 1, 1], "editor":{"type":"color"}, "type":16}, "colorScale":{"value":[1, 1, 1], "type":15, "handleInfo":["colorScaleAndCutoff", 0, 15]}, "alphaThreshold":{"value":[0.5], "editor":{"parent":"USE_ALPHA_TEST"}, "type":13, "handleInfo":["colorScaleAndCutoff", 3, 13]}, "color":{"editor":{"visible":false}, "type":16, "handleInfo":["mainColor", 0, 16]}, "colorScaleAndCutoff":{"type":16, "editor":{"visible":false, "deprecated":true}, "value":[1, 1, 1, 0.5]}}, "migrations":{"properties":{"mainColor":{"formerlySerializedAs":"color"}}}}]},
  ],
  "shaders": [
    {
      "name": "builtin-unlit|unlit-vs:vert|unlit-fs:frag",
      "hash": 2093221684,
      "glsl4": {
        "vert": "// glsl 460 vert source, omitted here for brevity",
        "frag": "// glsl 460 frag source, omitted here for brevity",
      },
      "glsl3": {
        "vert": "// glsl 300 es vert source, omitted here for brevity",
        "frag": "// glsl 300 es frag source, omitted here for brevity",
      },
      "glsl1": {
        "vert": "// glsl 100 vert source, omitted here for brevity",
        "frag": "// glsl 100 frag source, omitted here for brevity",
      },
      "attributes": [
        {"tags":["USE_BATCHING"], "name":"a_dyn_batch_id", "type":13, "count":1, "defines":["USE_BATCHING"], "location":1},
        {"name":"a_position", "type":15, "count":1, "defines":[], "location":0},
        {"name":"a_weights", "type":16, "count":1, "defines":["USE_SKINNING"], "location":2},
        {"name":"a_joints", "type":16, "count":1, "defines":["USE_SKINNING"], "location":3},
        {"tags":["USE_VERTEX_COLOR"], "name":"a_color", "type":16, "count":1, "defines":["USE_VERTEX_COLOR"], "location":4},
        {"tags":["USE_TEXTURE"], "name":"a_texCoord", "type":14, "count":1, "defines":["USE_TEXTURE"], "location":5}
      ],
      "varyings": [
        {"name":"v_color", "type":16, "count":1, "defines":["USE_VERTEX_COLOR"], "location":0},
        {"name":"v_uv", "type":14, "count":1, "defines":["USE_TEXTURE"], "location":1}
      ],
      "builtins": {"globals":{"blocks":[{"name":"CCGlobal", "defines":[]}], "samplers":[]}, "locals":{"blocks":[{"name":"CCLocalBatched", "defines":["USE_BATCHING"]}, {"name":"CCLocal", "defines":[]}, {"name":"CCSkinningTexture", "defines":["USE_SKINNING", "ANIMATION_BAKED"]}, {"name":"CCSkinningAnimation", "defines":["USE_SKINNING", "ANIMATION_BAKED"]}, {"name":"CCSkinningFlexible", "defines":["USE_SKINNING"]}], "samplers":[{"name":"cc_jointsTexture", "defines":["USE_SKINNING", "ANIMATION_BAKED"]}]}},
      "defines": [
        {"name":"USE_BATCHING", "type":"boolean", "defines":[]},
        {"name":"USE_SKINNING", "type":"boolean", "defines":[]},
        {"name":"ANIMATION_BAKED", "type":"boolean", "defines":["USE_SKINNING"]},
        {"name":"CC_SUPPORT_FLOAT_TEXTURE", "type":"boolean", "defines":["USE_SKINNING", "ANIMATION_BAKED"]},
        {"name":"USE_VERTEX_COLOR", "type":"boolean", "defines":[]},
        {"name":"USE_TEXTURE", "type":"boolean", "defines":[]},
        {"name":"FLIP_UV", "type":"boolean", "defines":["USE_TEXTURE"]},
        {"name":"CC_USE_HDR", "type":"boolean", "defines":[]},
        {"name":"USE_ALPHA_TEST", "type":"boolean", "defines":[]},
        {"name":"ALPHA_TEST_CHANNEL", "type":"string", "defines":["USE_ALPHA_TEST"], "options":["a", "r", "g", "b"]}
      ],
      "blocks": [
        {"name": "TexCoords", "defines": ["USE_TEXTURE"], "binding": 0, "members": [
          {"name":"tilingOffset", "type":16, "count":1}
        ]},
        {"name": "Constant", "defines": [], "binding": 1, "members": [
          {"name":"mainColor", "type":16, "count":1},
          {"name":"colorScaleAndCutoff", "type":16, "count":1}
        ]}
      ],
      "samplers": [
        {"name":"mainTexture", "type":28, "count":1, "defines":["USE_TEXTURE"], "binding":30}
      ]
    }
  ]
}

这里的信息量不小,但大多数时候这些细节都不需要普通开发者关心,重要的是:
对任意目标平台,所有着色必要的基础信息已经全部都在这里提前准备好,以保证跨平台和最高的运行效率,
同时在最后构建时会针对当前平台剔除所有冗余的信息,以保证最好的空间利用率。

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 或 effectName: effect 资源引用, 使用哪个 EffectAsset 所描述的流程进行渲染? (必备)
  • technique: 使用 EffectAsset 中的第几个 technique? (默认为 0 号)
  • defines: 宏定义列表, 需要开启哪些宏定义? (默认全部关闭)
  • states: 管线状态重载列表, 对渲染管线状态 (深度模板透明混合等) 有哪些重载? (默认与 effect 声明一致)
const mat = new Material();
mat.initialize({
  effectName: 'pipeline/skybox',
  defines: { USE_RGBE_CUBEMAP: true }
});

有了这些信息后, Material 就可以被正确初始化(标志是生成渲染使用的 Pass 对象数组), 用于具体模型的渲染了.

根据所使用 EffectAsset 的信息, 可以进一步设置每个 Pass 的 uniform 参数等.

mat.setProperty('cubeMap', someCubeMap);
console.log(mat.getProperty('cubeMap') === someCubeMap); // true

这些属性都是在材质资源对象本身内部生效, 还并不涉及场景.

Material 通过挂载到 Renderable 上与场景连接, 所有需要设定材质的 Component (MeshRenderer, SkinnedMeshRenderer等) 都继承自它.

const comp = someNode.getComponent(MeshRenderer);
comp.material = mat;
comp.setMaterial(mat, 0); // 与上一行作用相同

根据子模型的数量, Renderable 也可以引用多个 Material 资源:

comp.setMaterial(mat, 1); // 赋给第二个 submodel

同一个 Material 也可挂载到任意多个 Renderable 上, 一般在编辑器中通过拖拽的方式即可自动赋值.
而当场景中的某个模型的 Material 需要特化的设置, 会在从 Renderable 获取 Material 时自动做拷贝实例化, 创建对应的 MaterialInstance,从而实现独立的定制.

const comp2 = someNode2.getComponent(MeshRenderer);
const mat2 = comp2.material; // 拷贝实例化, mat2 是一个 MaterialInstance,接下来对 `mat2` 的修改只会影响 `comp2` 的模型

Material 与 MaterialInstance 的最大区别在于,MaterialInstance 从开始就永久地挂载在唯一的 Renderable 上,只会对这个模型生效,而 Material 则无此限制。

对于一个已初始化的材质, 如果希望修改最初的基本信息, 可以直接再次调用 initialize 函数, 重新创建渲染资源.

mat.initialize({
  effectName: 'builtin-standard',
  technique: 1
});

特别地, 如果只是希望修改 defines 或 states, 我们提供更高效的直接设置接口, 只需提供相对当前值的重载即可:

mat2.recompileShaders({ USE_EMISSIVE: true });
mat2.overridePipelineStates({ rasterizerState: { cullMode: GFXCullMode.NONE } });

但注意,这些接口只能对 MaterialInstance 实例调用,而不能对 Material 资源调用。

每帧动态更新 uniform 值是非常常见的需求, 在类似这种需要更高效接口的情景下, 可以手动调用对应 pass 的接口:

// 初始化时保存以下变量
const pass = mat2.passes[0];
const hColor = pass.getHandle('albedo');
const color = new Color('#dadada');

// 每帧更新时:
color.a = Math.sin(director.getTotalFrames() * 0.01) * 127 + 127;
pass.setUniform(hColor, color);

Builtins

编辑器内置了几种常见类型的材质,无光照的 unlit、基于物理光照的 standard、skybox、粒子、sprite 等;
这里列一下最常用的 standard 各项参数的意义和用法:

Standard

Property Info
tilingOffset 模型 UV 的平铺和偏移量,
xy 对应平铺,zw 对应偏移
albedo/mainColor 漫反射颜色,指定模型的主要基色
albedoMap/mainTexture 漫反射贴图,如果有指定,这项会和漫反射颜色相乘
albedoScale 模型的漫反射强度,
用于控制漫反射颜色对于最终颜色的影响权重
alphaThreshold 启用 alpha test 后的测试阈值,
输出 alpha 值低于此值的像素会被 discard 掉
normalMap 法线贴图,用于增加表面细节
normalStrenth 法线贴图强度,控制凹凸质感的强弱
pbrMap PBR 材质参数贴图:环境遮挡、粗糙度和金属度
采样结果会和常数项相乘
每种属性具体的来源通道由 XX_CHANNEL 宏定义决定
metallicRoughnessMap 独立的粗糙度和金属度贴图
采样结果会和常数项相乘
每种属性具体的来源通道由 XX_CHANNEL 宏定义决定
occlusionMap 独立的环境遮挡贴图
采样结果会和常数项相乘
每种属性具体的来源通道由 XX_CHANNEL 宏定义决定
occlusion 环境遮挡常数
roughness 粗糙度常数
metallic 金属度常数
emissive 自发光颜色
独立于光照计算的,模型本身直接发散出的颜色
emissiveMap 自发光贴图
如果有指定,这项会和自发光颜色相乘,
因此需要把自发光颜色(默认是黑色)调高才会有效果
emissiveScale 自发光强度
用于控制自发光颜色对于最终颜色的影响权重

相对应的,还有控制这些参数的宏定义:

Macro Info
USE_BATCHING 是否启用动态合批?
USE_SKINNING 是否启用顶点蒙皮? 对蒙皮模型必须启用
ANIMATION_BAKED 是否使用预烘焙的蒙皮动画?
ROUGHNESS_CHANNEL 指定粗糙度的数据来源通道,默认为 r 通道
METALLIC_CHANNEL 指定金属度的数据来源通道,默认为 g 通道
AO_CHANNEL 指定 AO 的数据来源通道,默认为 b 通道
HAS_SECOND_UV 是否存在第二套 UV?
ALBEDO_UV 指定采样漫反射贴图使用的 uv,默认为第一套
EMISSIVE_UV 指定采样自发光贴图使用的 uv,默认为第一套
ALPHA_TEST_CHANNEL 指定透明测试的测试通道
USE_VERTEX_COLOR 如果启用,顶点色会与漫反射项相乘
USE_ALPHA_TEST 是否开启透明测试(镂空效果)?
USE_ALBEDO_MAP 是否使用漫反射贴图?
USE_NORMAL_MAP 是否使用法线贴图?
USE_PBR_MAP 是否使用 PBR 材质参数贴图?
USE_EMISSIVE_MAP 是否使用自发光贴图?

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