Shader开发技术教学大纲.pdf

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1、Shader 开发技术教学大纲 Development Technique of Shader 适用专业：数字媒体技术 课程编号：0809513087 前修课程：面向对象程序设计 学分：3 总学时：48 一、课程性质、目的与要求 课程性质：专业任选课 课程目的：本课程是为数字媒体专业开设的专业选修课，起着加深学生对游戏渲染的理解，锻炼学生的实际游戏开发能力的作用。本课程的教学目的在于通过教与学，使学生了解Shader 开发技术的实现原理和基本语法，掌握 UnityShader 中的渲染机制以及如何使用Unity Shader 实现各种渲染效果，了解 GPU 实现渲染流水线的过程，能够解决游戏开

2、发中的实际问题，为今后从事游戏行业的工作打下良好的基础。教学要求：本课程是一门计算机理论与实践相结合的课程，因此，教学中对 Shader 的 Unity Shader 的实现原理和基本语法和 Shader 所需的数学知识做必要的讲解，同时，注意理论联系实际，通过本课程的理论学习和上机操作，增强学生使用深度纹理和法线纹理实现更多屏幕特效的能力；学习用表面着色器实现渲染等技术，提高学生分析问题、解决问题的实际能力。二、教学内容 理论总学时：32 学时 第一章：欢迎来到 Shader 的世界 1 学时 基本要求：了解 Shader 开发技术的功能，以及可以实现的效果。重点：Shader 开发技术的在

3、游戏开以过程中的重要性。难点：Shader 开发核心结构。第二章：渲染流水线 2 学时 基本要求：掌握 Shader 开发技术中的流水线，渲染流水线，CPU 和 GPU 之间的通信，顶点着色器。重点：片元着色器的应用，逐片元操作方法。难点：屏幕映射，三角形遍历，固定管线渲染。第三章：Unity Shader 基础线 2 学时 基本要求：掌握材质，ShaderLab，SubShader，Fallback，表面着色器，固定函数着色器顶点/片元着色器。重点：SubShader，顶点/片元着色器，材质和 Unity Shader 的桥梁。难点：Unity Shader 和 CG/HLSL 之间的关系。

4、第四章：学习 Shader 所需的数学基础 2 学时 基本要求：掌握 Unity 使用的坐标系，矢量运算，矩阵运算，分解基础变换矩阵，坐标空间的变换，裁剪空间，屏幕空间，变换矩阵，摄像机和屏幕参数。重点：ComputeScreenPos/VPOS/WPOS，坐标空间的变换，摄像机和屏幕参数。难点：分解基础变换矩阵，顶点的坐标空间变换过程。第五章：开始 Unity Shader 学习之旅 2 学时 基本要求：掌握顶点/片元着色器的基本结构，顶点着色器和片元着色器之间的通信；掌握Unity 提供的内置文件和变量，和 Unity 提供的 CG/HLSL 语义，使用帧调试器。重点：掌握顶点/片元着色器

5、的基本结构，Unity 提供的 CG/HLSL 语义。难点：渲染平台的差异，渲染纹理的坐标差异，Shader 的语法语义差异。第六章：Unity 中的基础光照 2 学时 基本要求：了解光源的吸收和散射，BRDF 光照模型，标准光照模型，Unity 中的环境光和自发光，在 Unity Shader 中实现高光反射和漫反射光照，半兰伯特模型。重点：掌握光源的吸收和散射，标准光照模型和 Unity 中的环境光和自发光。难点：BRDF 光照模型，半兰伯特模型，Blinn-Phong 光照模型。第七章：基础纹理 2 学时 基本要求：了解纹理的属性和凹凸映射，掌握高度纹理，法线纹理的原理，及在 Unity

6、 中实现法线纹理类型，渐变纹理，遮罩纹理等常见纹理。重点：在 Unity 中实现法线纹理类型，渐变纹理，遮罩纹理等常见纹理。难点：高度纹理，法线纹理的原理。第八章：透明效果 2 学时 基本要求：了解 Unity Shader 的渲染顺序；掌握在 Unity Shader 中实现透明度混合的命令；掌握开启深度写入的半透明效果，ShaderLab 的混合命令，双面渲染的透明效果的实现。重点：ShaderLab 的混合命令，双面渲染的透明效果。难点：在 Unity 中通过开启深度写入的半透明效果的实现方法。第九章：更复杂的光照 3 学时 基本要求：了解 Unity 的常用渲染路径，Unity 的光源

7、类型，Unity 的阴影；掌握使用帧调试器查看阴影绘制过程，统一管理光照衰减和阴影，透明度物体的阴影。重点：使用标准 Unity Shader 实现阴影。难点：使用数学公式计算衰减的方法，实现不透明物体的阴影的方法。第十章：高级纹理 2 学时 基本要求：了解立方体纹理，设计天空盒子，深入理解反射，折射，菲涅耳反射的物理原理；掌握 GrabPass 程序纹理和 Unity 的程序材质。重点：创建用于环境映射的立方体纹理，掌握 GrabPass 程序纹理。难点：反射，折射，菲涅耳反射的物理原理。第十一章：让画面动起来 2 学时 基本要求：了解 Unity Shader 中的内置变量，掌握实现纹理动

8、画，序列帧动画的方法。重点：创建滚动背景，顶点动画的方法。难点：掌握实现滚动纹理动画的方法。第十二章：屏幕后处理效果 2 学时 基本要求：建立屏幕后处理脚本系统，实现屏幕的亮度、饱和度和对比度的调整，了解边缘检测，及常见的边缘检测算子，实现高斯模糊，高斯滤波，Bloom 效果，运动模糊等特效。重点：建立屏幕后处理脚本系统。难点：卷积，边缘检测原理。第十三章：使用深度和法线纹理 2 学时 基本要求：获取深度和法线纹理及原理，查看深度和法线纹理；实现运动模糊，全局雾的效果；重建世界坐标。重点：获取深度和法线纹理及原理。难点：重建世界坐标。第十四章：非真实感渲染 2 学时 基本要求：卡通风格的渲染，

9、渲染轮廓线，添加高光，及素描风格的渲染。重点：卡通风格的渲染，渲染轮廓线。难点：素描风格的渲染。第十五章：使用噪声 2 学时 基本要求：消融效果，水波效果，全局雾效的渲染方法。重点：消融效果的渲染方法。难点：水波效果的渲染方法。第十六章：Unity 中的渲染优化技术 2 学时 基本要求：静态、动态批处理，优化几何体，模型的 LOD 技术，遮挡剔除技术，控制绘制顺序。重点：动态批处理，静态批处理，优化几何体，Shader 的 LOD 技术。难点：合理利用实时光照和阴影。三、实践环节或相关课程 实践总学时：16 学时 序号 实验项目名称 实验类型 实验要求 实验内容简介 应达到的基本要求 学时分配

10、 注：1、实验类型：演示、验证、操作、综合、设计、研究。2、实验要求：指必做、选做。3、8 学时以上（不含 8 学时）实践环节需单独设置大纲。四、课时分配 序号 章节 内容 理论环节时数 实验 时数 其他 环节 1 1 欢迎来到 Shader 的世界 1 2 2 2 渲染流水线 2 2 3 3 Unity Shader 基础线 2 4 4 学习 Shader 所需的数学基础 2 5 5 开始 Unity Shader 学习之旅 2 6 6 Unity 中的基础光照 2 2 7 7 基础纹理 2 2 8 8 透明效果 2 2 9 9 更复杂的光照 3 2 10 10 高级纹理 2 11 11 让

11、画面动起来 2 2 12 12 屏幕后处理效果 2 13 13 使用深度和法线纹理 2 2 14 14 非真实感渲染 2 15 15 使用噪声 2 16 16 Unity 中的渲染优化技术 2 合 计 总学分 3 总学时 48 五、建议教材与教学参考书 1 Unity Shader 的基本操作 操作 必做 熟悉 Unity Shader 的菜单以及基本操作。熟练掌握 并灵活运用 4 2 卡通风格动画的实现 操作 必做 掌握卡通风格 Shader的编程实现方法。熟练掌握 4 3 透明效果的实现 操作 必做 掌握编写透明的Surface Shader 的方法。熟练掌握 4 4 老电影式的画面效果

12、操作 必做 掌握Shader晕影效果的编程实现方法。熟练掌握 4 序 号 书 名 编 者 出版社 版 本 1 Unity Shader 入门精要 冯乐乐 人民邮电出版社 2016.5 2 Unity Shaders and Effects Cookbook Kenneth Lammers Packt Publishing 2013.6 3 Shaders for Game Programmers and Artists Sebastien St-Laurent Course Technology PTR 2004.5 六、教学形式与考核方式 1、教学形式：采用多媒体辅助教学。2、考核方式：本课程考核方式为：上机考试。建议：闭卷考试。