UnityShader：透明度测试（AlphaTest）

模板测试发生在片元着色器之后的逐片元操作阶段：

透明度测试——>模板测试——>深度测试——>透明度混合

前言

在计算机图形学中，透明度测试（Alpha Test）是一种常用的技术，用于在渲染过程中根据像素的Alpha值进行裁剪或者过滤。通过透明度测试，可以实现在渲染物体时只显示符合一定透明度要求的像素，从而达到特定的视觉效果。本篇博客将介绍透明度测试在Shader中的应用。

一、什么是透明度测试？

1. 透明度测试的工作原理

透明度测试是一种在渲染过程中根据像素的Alpha值进行裁剪或过滤的技术。在渲染物体时，每个像素都有一个Alpha值，用来表示其透明度。透明度测试通过比较像素的Alpha值与设定的阈值，来决定是否保留该像素或者丢弃该像素。通常情况下，当像素的Alpha值大于等于阈值时，该像素会被保留，否则会被丢弃。

透明度测试的原理很简单，即在片元着色器中根据像素的Alpha值进行判断，并通过discard语句来丢弃不符合条件的像素。具体步骤如下：

片元着色器中获取纹理的Alpha值。
将获取的Alpha值与设定的阈值进行比较。
如果Alpha值大于等于阈值，则保留该像素，否则丢弃该像素。

2. 透明度测试优缺点

优点：
简单高效：透明度测试是一种简单高效的技术，能够在渲染过程中快速地根据Alpha值进行裁剪，节省计算资源。
适用范围广：透明度测试适用于各种场景和物体，可以用来实现各种透明效果

缺点：
硬边缘：透明度测试会导致像素的边缘出现硬边缘，不够平滑自然。
Alpha混合效果差：由于透明度测试是丢弃像素而不是混合像素，因此在某些情况下会导致Alpha混合效果不理想

3. 透明度测试例图

image.png

二、使用步骤

Shader 属性定义

// 定义属性
 Properties {
    //主纹理贴图
    _MainTex("Main Texture", 2 D) = "white" {}
    // 漫反射颜色属性，默认白色
    _Diffuse("Diffuse Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
    // Alpha裁剪阈值
    __Cutoff("Alpha Cutoff", Range(0,1)) = 0.5 
}

SubShader 设置

SubShader
{
    Tags
    {
        "Queue" = "AlphaTest"  // 渲染队列为AlphaTest
        "IgnoreProjector" = "True" // 忽略投影
    }
    
    LOD 100 // 细节级别
}

SubShader 定义了一组渲染设置，包括标签和细节级别。在这里，我们将渲染队列标签设置为 “AlphaTest”，并且忽略投影

渲染 Pass

Pass
{
    CGPROGRAM
    #pragma vertex vert
    #pragma fragment frag

    // 包含Unity CG库
    #include "UnityCG.cginc"
    // 包含光照CG库
    #include "Lighting.cginc"

    // 漫反射颜色属性
    fixed4 _Diffuse;
    // Alpha裁剪阈值
    float _Cutoff;

    // 主纹理贴图
    sampler2D _MainTex;
    float4 _MainTex_ST;

}

这里开始了渲染 Pass 部分。在这里，我们使用了 CGPROGRAM 指令来声明顶点着色器和片元着色器函数。#pragma vertex vert 和 #pragma fragment frag分别指定了顶点着色器函数和片元着色器函数的名称。

然后，我们包含了 UnityCG.cginc 和 Lighting.cginc，它们提供了许多有用的函数和宏，用于简化编写 Shader。

定义结构体和顶点着色器函数

// 定义结构体：从顶点到片段的数据传递
struct v2f {
    float4 vertex: SV_POSITION; // 顶点位置
    fixed3 worldNormal: TEXCOORD0; // 世界空间法线
    fixed3 worldPos: TEXCOORD1; // 世界空间位置
    float2 uv: TEXCOORD2; // 纹理坐标
};

// 顶点着色器函数
v2f vert(appdata_base v) {
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点位置变换到裁剪空间
    fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 世界空间法线
    o.worldNormal = worldNormal;

    // 让外部的属性可以影响到uv
    //o.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
    // 简化uv计算函数
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);

    o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
    return o;
}

这个顶点函数的主要功能是将输入的顶点数据从对象空间转换到裁剪空间，并为后续的渲染过程提供必要的信息，包括裁剪空间中的顶点位置、世界空间中的法线、纹理坐标以及顶点的世界空间位置。

片元着色器函数

// 片元着色器函数
fixed4 frag(v2f i): SV_Target {
    // 获取环境光
    fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

    // 纹理采样
    fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);

    // 如果纹理的alpha值小于阈值，则丢弃该片段
    if (texColor.a - _Cutoff < 0) {
        // 裁剪掉
        discard;
    }

    // 漫反射
    // 获取光源方向
    //fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
    // 简化获取光源方向
    fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
    fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * texColor.rgb * _Diffuse.rgb * max(
        0, dot(worldLightDir, i.worldNormal) * 0.5 + 0.5);

    // 组合最终颜色
    fixed3 color = diffuse + ambient;
    return fixed4(color, 1); // 输出颜色
}

这段代码是片元着色器函数，主要功能包括：

对主纹理进行采样，获取像素的颜色信息（漫反射成分）。
根据光照情况，计算漫反射的颜色。
对高光遮罩纹理进行采样，获取像素的高光遮罩值。
根据高光遮罩值、高光反射颜色和光照强度，计算高光反射的颜色。
将漫反射和高光反射的颜色叠加，得到每个像素的最终颜色，并将其输出。

三、效果

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四、总结

透明度测试（Alpha Test）是一种常用的渲染技术，可以根据像素的 Alpha 值进行裁剪或过滤，以实现各种透明效果。在 Shader 中实现透明度测试可以通过在片元着色器中进行 Alpha 值的比较，并使用 discard 语句来丢弃不符合条件的像素来实现。透明度测试在游戏开发、图形特效制作等领域具有广泛的应用。

透明度测试的原理是根据像素的 Alpha 值与预设的阈值进行比较，如果 Alpha 值小于阈值，则将该像素丢弃，不进行绘制，从而实现透明效果。这种技术常用于处理带有透明度的纹理，例如树叶、玻璃等材质，以及实现裁剪、遮挡等效果。

在 Shader 中实现透明度测试通常涉及以下步骤：

在片元着色器中获取像素的纹理颜色以及 Alpha 值。
根据获取的 Alpha 值与预设的阈值进行比较。
如果 Alpha 值小于阈值，则使用 discard 语句丢弃该像素，否则继续进行后续的渲染计算。
根据渲染需求，可以选择合适的阈值和处理逻辑，以达到期望的透明效果。
透明度测试在游戏开发中常用于优化渲染性能，减少不可见部分的渲染开销，同时也是实现复杂透明效果的重要手段之一。