S&box 的着色器

s&box 着色器系统概述

s&box 使用 Source 2 引擎，它拥有非常强大的，可扩展和配置的着色器系统。这使得游戏的画面质量相比于 Source 的 Garry‘s Mod 提升了多个数量级，带来令人印象深刻的游戏画面。

NOTE：s&box 的 Material Editor 可读取的着色器文件格式为 .shader，16 进制格式为 .shader_c。但是在为 s&box 编写着色器时，仍可引用 .hlsl 源代码文件。

s&box 基于 Tile-Based Forward 渲染管线，这意味着在同时兼容 高性能多光源 处理特性时还能支持 多着色器。您甚至可以同时使用 卡通着色，PBR 着色, Blinn-Phong 着色和光线追踪着色。

着色器概述

在图形学领域，渲染管线（The Rendering Pipeline）内的任何部件都被定义为 “着色器”（Shader），这意味着它不一定需要具备决定如何绘制图形的功能。例如 DirectX 11 的计算着色器（Compute Shader）或逻辑上和计算管线高度相似的一些光线追踪着色器（Anyhit, Intersection 等）。我们平时探讨的很多着色器都是像素着色阶段的部件（例如 PBR 着色器，卡通着色器）。

一般地，着色器是运行在 GPU 上的。着色器代码通过 GPU 驱动转化为各类控制和运算指令，操纵 GPU 计算各类标矢量浮点整数值并存储在内存里，最后进行综合计算（关于 HLSL 着色语法，常见 GPU 运算指令等，参见着色器基本语法与现代 GPU 运算指令）。这个流程就是通过走一遍完整的渲染管线来完成的。

注意事项

s&box 在 2023 年丢弃了所有 Direct3D 9 的代码索引，这意味着它完全统一了着色器模型。在 DirectX 10 之前， GPU 在硬件上是以单独的顶点着色器（Vertex Shader）和像素着色器（Pixel Shader）组织起来的。在 2006 年 NVIDIA 发布第一款统一着色器架构 GPU（Unified Shader）—— NVIDIA G80 以后，着色器才有了标准的，统一的程序模型。这是 s&box 和 Source 引擎的 Garry's Mod 最大的区别之一。
s&box 完全丢弃对于 OpenGL 的支持，这意味着 GLSL 着色器语言无法使用。
光照着色模型方面，s&box 默认提供基于物理的渲染（PBR）的着色器支持，开发工具里叫做 “Complex Shader” 或 “Simple Shader”。

您甚至可以尝试植入一些非光照类的着色器，例如 AMD FidelityFX SSSR 或 FSR 2。（Facepunch 曾努力植入过，但因稳定性受到影响而被禁用）

对于 Complex Shader 的具体使用和配置方法，请参阅 Complex着色器。如果您认为 Complex Shader 使用起来过于复杂繁琐，请转向 Simple Shader。

Complex Shader 原理概述

Complex Shader 概略

Complex Shader 是 Source 2 引擎默认提供的一种高质量的，基于物理的着色器（PBR）。它本质上和 Simple Shader 是同一个着色器，只不过提供的可配置选项非常多。将它应用在各类材质上，可以做出很多富有真实感的效果。

Complex Shader 属于一种典型的 Forward-Based（前向管线的） PBR Pipeline，经过编程，您也可以实现这一管线。有资料表明，起源 2 引擎支持延迟管线，但是我们无法进一步查证关于该情况下的 PBR 管线情况。

Complex Shader 基于 PBR 渲染。这意味着它完全符合接下来将提及的一个重要理论，它支撑着基于物理的渲染特性。

PBR 渲染与微表面（Microfacet）理论

现实生活中有非常多视觉效果各异的材质，例如毛玻璃和铁的表面。即使它们在肉眼下观察可能都是平整的，但是它们在微观结构上大不相同。光线通过和这些不同的微观结构表面发生反射，使得出射光线的方向大不相同，造成了不同的视觉效果。在图形学中，我们将这些结构定义为微几何（Microgeometry），而它们的微观表面称为微表面（Microfacet）。针对不同微表面函数可以让不同材质拥有它们各自的独特质感。

Complex Shader 的 PBR 特性建立于微表面理论之上，这使得它支持一些特别的材质效果。Complex Shader 自带了以下的几种常用材质特性，它们各自由不同的函数模型控制。这几种模型一般被归纳为双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）。双向，即为光线的入射方向和出射方向；对应函数则决定了出射光的分布应该是什么样子，不同分布体现出不同的材质特性。

(Anisotropic Gloss) 带菲涅尔项的 Cook-Torrance 反射模型 -> Glossy 以及真实的金属反射表面
(Retro Reflective) 旧式 Blinn-Phong 法线分布模型 -> Source 风格的 Phong 高光反射表面

其中，Glossy 和 Metalness 是相对物理正确的，这意味着它们能提供非常逼真的视觉效果。但同时开销也比旧式反射要大一点，在制作材质并将其应用到模型，地图时应该综合考量。

半透明渲染

当然，Complex Shader 不仅仅是 PBR Shader，它也包含其它组件，例如半透明处理。这也是 s&box 的优势，因为它是直接基于前向管线的渲染系统，半透明处理是原生支持的，不需要像延迟渲染那样需要多开一个 RenderPass 来渲染半透明物体，s&box 拥有性能强悍的半透明处理系统。

视差（Parallax）贴图

为了高效地，高质量地渲染出纹理细节，Complex Shader 自带视差遮蔽映射（Parallax Occlusion）算法。它通过计算摄像机视线矢量和高度图（Height Map）定义的表面进行分层求交来获取近似高度信息，以此生成凹凸效果。不过，既然提到了“近似”，则意味着它在某些情况下会产生明显的画面失真。（例如高度图数据变化幅度很大时，该技术的近似插值会与实际值差距很大）

其它

已应用，但 Material Editor 内不可见：次表面散射（Sub-Surface Scattering），它可以模拟出光线进入介质内部后发生散射的物理行为，从而产生真实的半透明特效。

扩展

本页面所有专有名词均可在 GAMES101 - 现代计算机图形学入门与 GAMES202 - 高质量实时渲染系列课程中找到非常具体详尽的原理解释。