chapter2 Unity Shader概述

前言

【注】因为是概述，很多细节和需要查询的内容请参考《Unity Shader入门精要》

上一章描述了什么是渲染流水线，这一章主要讨论什么是Unity Shader。

Shader 翻译为着色器，GPU流水线中对于高度可编程的阶段来说，Shader是可以在GPU上运行的渲染代码；而对于固定流水线来说，则起着渲染设置的作用。前者有顶点着色器，片元着色器等。

正常情况下，开发者需要与下图中各种操作、文件打交道。

因为我们是在引擎上使用shader,Unity 提供了名为Unity Shader的抽象。于是我们只需要使用unity shader就可以控制所有操作。并且必要的内部功能已经写好。

与其它着色语言的关系

我们知道着色器语言主要有CG,HLSL,GLSL。

不同于它们，Unity中开发者使用的着色器语言叫做ShaderLab，语法上shaderlab和CG,HLSL没有太大区别，部分函数Unity没有提供；本质上shaderlab是基于它们的封装。

虽然Unity只支持封装后的CG,HLSL,但是如果要写GLSL也是可行的（不推荐）。

Unity Shader 基本介绍

Unity Shader 结构

Unity主要有Standard Surface Shader, Unlit Shader, Image Effect Shader 以及 Compute Shader。

Unity Shader基本结构

Shader "ShaderName"{
    Properties{
        
    }
    
    SubShader{// SubShader的Tag会作用所有Pass
        //显卡A
        Pass{
            //一次完整渲染流程，可以有多个，但是性能会下降
        }
    }
    SubShader{
        //显卡B
    }
    FallBack "VertexLit"
}

Properties 声明

Properties 语义块的作用仅仅是为了让这些属性可以出现在材质面板中。

Sub Shader

真正意义上的Shader语义块都在这里面。

Tags可以进行设置

Tags{"Queue" = "Transparent"} 设置渲染顺序

Pass

Pass包含一次完整渲染流程

设置渲染状态

首先Pass的命名Name"MyPassName"

调用其他Unity Shader中的Pass UsePass "MyShader/MyPassName"

Pass中的Tags与SubShader中的一样,都是用于设置渲染状态,具体的控制内容不同。

详情见《Unity Shader入门精要》P3。下图为Pass中的标签类型。

【补充】GrabPass关键字可以将渲染结果存储到纹理中，详情参照原书。

Fall Back

FallBack "name"，如果其它Sub Shader都没用，就用这个指定的

FallBack off关闭，不管了

FallBack "VertexLit"调用内置的Shader中的Pass

结构

Unity上的着色器

表面着色器

(Surface Shader) 已经写好，开发者可编程内容少。不需要Pass包裹，引擎自行处理

本质上可以理解为顶点、片元着色器的进一步抽象，Unity中的Shader代码一般如上图所示。

Shader "Custom/Simple Surface Shader"{
    SubShader{
        Tags{"RenderType" = "Opaque"}
        
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert
        struct Input{
            float4 color : COLOR;
        };
        ENDCG
    }
    Fallback "Diffuse"
}

顶点/片元着色器

（Vertex/Fragment Shader)

Shader "Custom/Simple VertexFragment Shader"{
    SubShader{
        Pass{
            CGPROGRAM //用来包裹ShaderLab语言
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        
        float4 vert(float4 v : POSITION) :SV_POSITION{
            return mul(UNITY_MATRIX_MVP,v);
        }
        
        float4 frag() : SV_Target{
            return fixed4(1.0,1.0,0.0,1.0);
        }
        ENDCG   
        }
    }
    Fallback "Diffuse"
}

固定函数着色器落后不讨论

从结果上来讲，Unity Shader只包含顶点片元两种可编写部分

表面着色器中SubShader的CG代码会被Unity细分到Pass。

Unity Shader语法与语义

基础语法

Shader "Unity Shaders Book/Chaper5/Simple Shader" { 
    SubShader { 
    Pass { //自定义渲染设置
        CGPROGR
        #pragma vertex vert 
        #pragma fragment frag 
        float4 vert(float4 v: POSITION) : SV POSITION { 
            return mul (UNITY MATRIX MVP, v);
        } 
        fixed4 frag() : SV_Target {
            return fixed4(1.0, 1.0,1.0,1.0); 
        }
        ENDCG
        }
    }
}

• 顶点着色器中

POSITION和SV_POSITION是CG/HLSL中的语义（semantic)不可省略。

POSITION告诉Unity将模型的坐标作为输入参数输入到v中。

而SV_POSITION则告诉Unity返回裁剪坐标。

• 片元着色器中

SV_TARGET也是一个语义，告诉系统将渲染输出存储到渲染目标，默认输出到帧缓存。（1，1，1）表示白色，这里返回了白色。

结构体用来定义着色器的输入

struct a2v{   //a2v意思是将应用阶段数据传到顶点着色器
    //用模型坐标填充
    float4 vertex : POSITION;
    //用法线方向填充
    float3 normal : NORMAL;
    //TEXCOORD0告诉系统用第一条纹理坐标填充
    float4 texcoord : TEXCOORD0;
};

Unity 支持的语义有： POSITION, TANGENT, NORMAL, TEXCOORDO, TEXCOORDJ, TEXCOORD2, TEXCOORD3, COLOR 等。

struct StructName{TypeName name : Semantic;};

顶点与片元着色器通信

struct v2f{ //从顶点着色器到片元
    //pos中包含了裁剪空间的位置信息
    float4 pos : SV_POSITION;
    //COLOR0用来存储颜色信息
    float3 color : COLOR0;
}

以下为完整代码

Shader "Unity Shaders Book/Simple Shader"{
    SubShader{
        Pass{
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
			//将模型坐标输入到顶点着色器
            struct a2v{
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
                float4 texcoord : TEXCOORD0;
            };
			//将顶点数据输出到片元
            struct v2f{
                float4 pos : SV_POSITION;
                fixed3 color : COLOR0;
            };
            //顶点着色器，逐顶点调用
            v2f vert(a2v v){
                v2f o;
                o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
                o.color = v.normal * 0.5+fixed3(0.5,0.5,0.5);
                return o;
            }
            //逐片元调用
            fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET{
                return fixed4(i.color,1.0);
            }
            ENDCG
        }
       
    }
}

属性

Properties{
    // shaderlab的变量
	_Color("Color Tint",Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0);
}
//需要注意的是，在CG代码中需要定义出名称类型都一致的变量

SubShader{
    Pass{
        // CG片段
        CGPROGRAM
            fixed4 _Color;
            ENDCG
    }
}

区别ShaderLab和CG的变量

文件

已知真正的Shader不是简单的一个.shader文件。

UnityShader 的方便性使得不用开发者自己转换法线方向，处理光照阴影等。

类似于C++的头文件,写在CG中，根据情况下载

CGPROGRAM
//...
#include "UnityCG.cginc"
//...
ENGCG

Debug

ColorPicker.cs绑定摄像机，获取屏幕RGB值

其他

有关CG/HLSL的语义，可参照微软DX文档

语义主要是用来限定输入输出的字符串，决定输入输出来源去向，方式等。

SV（system value semantics)

定义复杂变量类型时，需要注意，一个语义，寄存器只能存储4个浮点数，所以可以采取分成4个变量表示一个矩阵

【注意】shader中不要除以0，会造成意想不到的错误。