Unity Shader入门精要学习笔记2

Shader

第3章 Unity Shader基础

3.1 Unity Shader概述

3.1.1 材质和Unity Shader

在Unity中，我们使用材质（Material）和Unity Shader才能达到想要的效果。流程如下：

  1. 创建一个材质
  2. 创建一个Unity Shader，并赋给上一步中创建的材质；
  3. 把材质赋给渲染对象；
  4. 在材质面板中调整Unity Shader的属性，以得到满意的效果。

3.1.2 Unity中的材质

Unity中材质需要结合一个GameObject的Mesh或者Particle Systems组件来工作。

创建材质：

Assets -> Create -> Material

3.1.3 Unity中的Shader

Unity中，共提供了4种Shader模板供我们选择：

  • Standard Surface Shader：产生一个包含了标准光照模型的表面着色器模型
  • Unlit Shader：产生一个不包含光照（但包含雾效）的基本的顶点/片元着色器
  • Image Effect Shader：为我们实现各种屏幕后处理效果提供一个基本模板
  • Compute Shader：产生一种特殊的Shader文件，这类Shader利用GPU的并行性来进行一些与常规渲染流水线无关的计算

3.2 Unity Shader的基础：ShaderLab

Unity Shader是Unity为开发者提供的高层级的渲染抽象层，用这种方式让开发者更加轻松地控制渲染。

  • 没有使用Unity Shader，开发者需要和很多文件和设置打交道，才能让画面呈现出想要的效果。
  • 在Unity Shader帮助下，开发者只需要使用ShaderLab来编写Unity Shader文件就可以完成所有工作。

什么是ShaderLab？

ShaderLab是Unity 提供的编写Unity Shader的说明性语言。它使用一些嵌套在花括号内部的语义来描述Unity Shader文件的结构。这些结构包含了许多渲染所需要的的数据。

一个Unity Shader的基础结构如下：

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Shader "ShaderName"{
    Properties{
        //属性
    }
    SubShader{
        //显卡A使用的子着色器
    }
    SubShader{
        //显卡B使用的子着色器
    }
    Fallback "VertexLit"
}

3.3 Unity Shader的结构

3.3.1 Shader的名字

ShaderLab 文件第一行，指定Shader的名字，通过斜杆(“/”)，可控制Unity Shader在材质面板中的位置，如：

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Shader "Custon/MyShader"

则Shader所在位置：

3.3.2 材质和Unity Shader的桥梁：Properties

Properties语义块包含了一系列属性，这些属性会出现在材质面板中

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Properties{
	Name1("display name1", PropertyType1) = DefaultValue1
	Name2("display name2", PropertyType2) = DefaultValue2
	...
}

属性名通常以下划线”_”开头，定义了这些属性后，即可在材质面板调节各种材质属性。使用每个属性的名字(Name) 可在Shader中访问它们。

每种属性都需要指定类型（PropertyType），以及赋予默认值，常用属性如下：

属性类型 默认值定义语法 例子
Int number _Int(“Int”, Int) = 2
Float number _Float(“Int”, Float) = 2
Range(min, max) number _Range(“Range”, Range(0.0, 10.0)) = 1.5
Color (number,number,number,number,) _Color(“Color”, Color) = (255,255,255,255)
Vector (number,number,number,number,) _Vector(“Vector”, Vector) = (1, 1, 1 ,1)
2D “defaulttexture”{} _2D(‘2D’, 2D) = “”{}
Cube “defaulttexture”{} _Cube(‘Cube’, Cube= “white”{}
3D “defaulttexture”{} _3D(‘3D’, 3D) = “black”{}
3.3.3 SubShader

每个Unity Shader文件可包含至少一个SubShader。当Unity需要加载这个Unity Shader时，Unity会扫描所有的SubShader语义块，然后选择一个能够在目标平台运行 的SubShader。假如没有一个SubShader支持的话，Unity会使用Fallback语义指定的Unity Shader。

原因：不同显卡能力性能不同，比较老的显卡可能支持的操作指令数量较少，高级的显卡可支持的指令数较多，故而我们希望程序能在旧的显卡上运行，又能在高级的显卡上有更好的体验。

SubShader语义块通常如下：

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SubShader{
	//可选 标签
	[Tags]
	//可选 状态
	[RenderSetup]
	
	Pass{
	}
	Pass{
	}
	...
}
  • Pass：每个Pass定义了一次完整的渲染流程，Pass过多会造成渲染性能下降
  • 状态设置：ShaderLab提供了一系列渲染状态的指令，这些指令可以设置显卡的各种状态，例如：是否开启混合，或者是否开启深度测试。

常用渲染状态设置选项如下：

状态名称 设置指令 解释
Cull Cull Back|Front|Off 设置剔除模式：剔除背面/正面/关闭剔除
ZTest ZTest Less Greater|LEqual|GEqual|Equal|NotEqual|Always 设置深度测试时使用的函数
ZWrite ZWrite On|Off 开启/关闭深度写入
Blend Blend SrcFactor DstFactor 开启并设置混合模式

在SubShader块中设置上述渲染状态时，将会应用到所有的Pass，假如不希望这样，只想作用于特定Pass，可以再Pass语义块中单独进行设置。

  • SubShader的标签

SubShader的标签(Tags)是一个键值对(Key/Value Pair)，它的键和值都是字符串类型。这些键值对是SubShader和渲染引擎之间的沟通桥梁。它们用来告诉Unity的渲染引擎：SubShader希望如何、以及何时渲染这个对象。

标签结构如下：

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Tags{ "TagName1" = "Value1" "TagName2" = "Value2"}

SubShader的标签块支持的标签类型如下：

注意：上述标签只能在SubShader中声明，不能在Pass块中声明。

  • Pass语义块

    Pass语义块的语义如下：

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    Pass{
        [Name]
        [Tags]
        [RenderSetup]
    }

  1. 定义Pass名字

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    Name "MyPassName"

    通过这个名字，可以在其他Unity Shader中使用该Pass：

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    UsePass "MyShader/MYPASSNAME"

    这样就提高了代码的复用性，我们可以发现调用的过程中使用了大写的形式，这并不是写错，而是因为Unity内部会把所有的Pass的名称都转成大写，故而我们在使用UsePass时，必须使用大写的形式。

  2. Pass标签
    Pass同样可以设置标签，它的标签不同于SubShader的标签，这些标签也是用于告诉渲染引擎如何来渲染该物体。以下是Pass中使用的标签类型：

标签类型 说明 例子
LightMode 定义该Pass在Unity的渲染流水线中的角色 Tags{“LightMode” = “ForwardBase”}
RequireOptions 用于指定当满足某些条件时才渲染该Pass，它的值是一个由空格分隔的字符串。目前Unity支持的选项有：SoftVegetation Tags{“RequireOptions” = “SoftVegetation”}

除了上面普通的Pass定义外，Unity Shader还支持一些特殊的Pass，以便进行代码复用或者实现更复杂的效果。

  • UsePass : 可以使用该命令来复用其他Unity Shader中的Pass。
  • GrabPass：该Pass负责抓取屏幕并将结果存储在一张纹理中，用于后续的Pass处理。
3.3.4 Fallback

在ShaderLab语义块的最后，是一个Fallback指令，它告诉Unity如果上面的所有SubShader在这块显卡都不能运行，就使用这个最低级的Shader！！

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Fallback "name"		//告诉显卡使用哪个Unity Shader
//或者
Fallback Off

3.4 Unity Shader的形式

3.4.1 表面着色器

表面着色器(Surface Shader)是Unity自己创造的一种着色器代码类型。它的代码量很少，但渲染代价比较大。当给Unity提供一个表面着色器的时候，Unity需要在背后做很多工作，把它转换成顶点/片元着色器。

好处：Unity对顶点/片元着色器更高一层的的抽象，为我们处理很多光照细节，我们不需要操心这些事。

简单的表面着色器如下：

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Shader "Custom/Simple Surface Shader"{
	SubShader{
		Tags{"RenderType" = "Opaque"}
		CGPROGRAM
		#pragma surface surf Lambert
		struct Input{
			float4 color : COLOR;
		};
		void surf(Input IN, input SurfaceOutput 0){
			o.Albedo = 1;
		}
		ENDCG
	}
	Fallback "Diffuse"
}

上面的程序中，表面着色器被定义在SubShader语义块中的CGPROGRAM和ENDCG中(而不是Pass中)，因为表面着色器不需要开发者关心使用多少个Pass以及每个Pass如何渲染，这些事情都交给Unity去完成就好了。

CGPROGRAM和ENDCG之间的代码是使用CG/HLSL编写的，我们需要把CG/HLSL语言嵌套在ShaderLab语言中
注意：此处的CG/HLSL是Unity封装过的，与标准的CG/HLSL几乎一样，只有细微差别，一些原生的函数可能Unity并没有提供。

3.4.2 顶点/片元着色器

在Unity中，我们可以使用CG/HLSL语言来编写顶点/片元着色器（Vertex/Fragment Shader）。它更加复杂，但也更加灵活了。

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Shader "Custom/Simple VertexFragement Shader"{
	SubShader{
		Pass{
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma	 fragment frag
			float4 vert(float4 v:POSITION):SV_POSITION{
				return mul(UNITY_MATRIX_MVP, v);
			}
			float4 frag():AV_Target{
				return fixed4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0)
			}
			ENDCG
		}
	}
}

代码同样写在CGPROGRAM和ENDCG之间，但顶点/片元着色器是写在Pass语义块内的，而不是Subshader内，因为我们需要自己定义每个Pass。因此我们需要编写更多的代码，但也因如此变得灵活性更高，可以控制渲染的实现细节。

3.4.3 固定函数着色器

对于一些比较老旧的设备，它们不支持可编程管线着色器，此时需要使用固定函数着色器（Fixed Function Shader），这样的着色器往往只能完成一些简单的效果。

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Shader "Tutorial/Basic"{
	Properties{
		_Color ("Main Color", Color) = (1, 0.5, 0.5, 1)
	}
	SubShader{
		Pass{
			Material{
				Diffuse [_Color]
			}
			Lighting On
		}
	}
}

对于固定函数着色器来说，我们需要完全使用ShaderLab的语法(即使用ShaderLab的渲染设置命令)来编写，而不是CG/HLSL。

呵呵到天亮

游戏前端一枚。