Unity3D学习笔记3——Unity Shader的初步使用

目录

• 1. 概述
• 2. 详论
  • 2.1. 创建材质
  • 2.2. 着色器
    • 2.2.1. 名称
    • 2.2.2. 属性
    • 2.2.3. SubShader
      • 2.2.3.1. 标签(Tags)
      • 2.2.3.2. 渲染状态(RenderSetup)
      • 2.2.3.3. 通道(Pass)
    • 2.2.4. 回退(FallBack)
  • 2.3. 渲染管线

1. 概述

在上一篇文章《Unity3D学习笔记2——绘制一个带纹理的面》中介绍了如何绘制一个带纹理材质的面，并且通过调整光照，使得材质生效（变亮）。不过，上篇文章隐藏了一个很重要的细节——Unity Shader。Shader(着色器)是渲染管线中可被用户编程的阶段，依靠着色器可以控制渲染管线的细节。现代图像渲染技术，都把Shader封装成与Material(材质)相关的组件。所以这篇文章，我们就初步学习下在Unity中使用Shader。

2. 详论

2.1. 创建材质

在上一章中，材质、以及材质相关的资源是在Unity3D编辑器中创建，在C#脚本中直接引用的。这里为了学习使用Shader，我们使用自定义的Shader，可以在C#脚本中创建材质。修改上一章代码的材质部分：

Shader shader = Shader.Find("Custom/MainShader");
Material material = new Material(shader);

Texture2D texture = Resources.Load<Texture2D>("ImageDemo");
material.mainTexture = texture;

MeshRenderer meshRenderer = newGameObject.AddComponent<MeshRenderer>();
meshRenderer.material = material;

可以看到，要创建一个Material，首先得创建一个Shader。我们在Project视图中右键菜单->Create->Standard Surface Shader，创建一个标准表面着色器MainShader：

双击打开这个Shader，可以看到这个Shader的具体内容。标准着色器很复杂，我们清空里面的内容，填入我们这个更简单的着色器示例：

Shader "Custom/MainShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags{"Queue" = "Geometry"}

		Cull Back

		Pass
		{
		    CGPROGRAM

			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			sampler2D _MainTex;

			//顶点着色器输入
			struct a2v
			{
				float4  position : POSITION;
				float3  normal: NORMAL;
				float2  texcoord : TEXCOORD0;
 			};

			//顶点着色器输出
			struct v2f
			{
				float4 position: SV_POSITION;
				float2 texcoord: TEXCOORD0;
			};

			v2f vert(a2v v)
			{
				v2f o;
				o.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.position);
				o.texcoord = v.texcoord;

				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
			{
				return tex2D(_MainTex, i.texcoord);
			}

			ENDCG
		}
    }
    FallBack "Diffuse"
}

2.2. 着色器

Unity使用的着色器语言叫做ShaderLab，它是图形渲染中Shader（例如GLSL，HLSL以及CG）的更高级更抽象一级的封装。ShaderLab是个非常简单的说明性描述语言，通过嵌套在花括号中的语义来描述Unity Shader文件。

2.2.1. 名称

通过Shader语义指定Unity Shader的名称：

Shader "Custom/MainShader"
{

}

这个名称非常重要，在Unity编辑器中需要通过这个名字来引用Shader。

2.2.2. 属性

Shader语义块的第一个语义块是Properties语义块，它连接着材质和Unity3d编辑器，设置了这个属性就能够通过材质面板调整材质，调整材质的本质就是调整Shader。Properties的定义通常描述如下：

Properties {
	Name ("display name"，PropertyType) = DefaultValue
}

Name指的是在Shader中使用的名称，display name指的是显示在材质面板的名称。PropertyType则有点容易混淆，它指的是显示在材质面板中的属性类型，借用一下《Unity Shader入门精要》的图表：

2.2.3. SubShader

每个Unity Shader都至少包含一个SubShader语义块，Unity会优先选择第一个能够在当前平台下运行的SubShader作为最终渲染效果的Shader。

这个语义块下面又会包含三个语义块：

2.2.3.1. 标签(Tags)

SubShader的标签用于用于标识何时以何种方式被渲染到渲染引擎，它由一系列键值对组成。Queue是最常用的标签，用于标识渲染物体在渲染队列中的位置：

我们这里，把这个渲染物体放到Geometry队列中，这个位置通常放置不透明物体的渲染：

Tags{"Queue" = "Geometry"}

2.2.3.2. 渲染状态(RenderSetup)

渲染状态用于设置图形硬件的各种状态，例如是否应开启 Alpha 混合或是否应使用深度测试等。在像OpenGL这样的图形接口中，通常是以函数的形式进行调用的，Unity3d将其放在Shader里面，也有一定的道理。

这里的渲染状态设置成将背面裁剪掉：

Cull Back

2.2.3.3. 通道(Pass)

在Pass语义块中，才是像OpenGL/DirectX中使用的Shader。OpenGL使用的着色器语言叫做GLSL，DirectX使用的着色器语言叫做HLSL，Unity3D则推荐使用Cg语言，这是一种类C语言，与HLSL非常相似。Cg语言代码段在Pass语义块中被包裹在CGPROGRAM和ENDCG之间：

CGPROGRAM
//...
ENDCG

2.2.4. 回退(FallBack)

FallBack定义了一种退化策略，由于不同机器支持的性能特性不同，如果之前的子着色器都不生效，那么就使用这个着色器，通常这个着色器是内置的：

FallBack "Diffuse"

2.3. 渲染管线

图形渲染引擎的渲染管线其实是个内涵非常丰富的概念，再次借用《Unity Shader入门精要》的插图，渲染管线的描述大致如下：

当然只看这个图是不够的，但是我们可以直接从代码层面去了解它。镶嵌在CGPROGRAM和ENDCG之间的CG代码，体现的正是渲染管线的思维。

首先，通过编译指令，分别指定顶点着色器程序和片元着色器程序：

#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

vert就是顶点着色器的函数，在这个着色器程序中指定了计算了顶点坐标和纹理坐标：

v2f vert(a2v v)
{
	v2f o;
	o.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.position);
	o.texcoord = v.texcoord;

	return o;
}

传入参数是一个结构体，POSITION，NORMAL，TEXCOORD0是Unity Shader中固定的语义，分别代表这位置、法向量以及纹理坐标，他们也被称为顶点属性。还记得在上一篇文章《Unity3D学习笔记2——绘制一个带纹理的面》中创建Mesh时给Mesh创建的成员变量vertices、uv和normals吧？给他们传入的数据正是在这里用到了。

//顶点着色器输入
struct a2v
{
	float4  position : POSITION;
	float3  normal: NORMAL;
	float2  texcoord : TEXCOORD0;
};

传出参数则是另外一个结构体：

//顶点着色器输出
struct v2f
{
	float4 position: SV_POSITION;
	float2 texcoord: TEXCOORD0;
};

SV_POSITION表示的是裁剪空间坐标，也就是在顶点着色器中计算的顶点值。这个计算内容的内涵也挺丰富的，简单来说，创建Mesh时的顶点坐标，经过一个模型变换（Model）、视图变换（View）、投影变换（Projection），最终变成了裁剪空间坐标系中的坐标，体现在着色器中，就是内置的MVP矩阵UNITY_MATRIX_MVP。

剩下的就是片元着色器函数的部分了。在这个着色器中，_MainTex也就是我们先前创建的，并且传递到材质中的纹理，通过将顶点着色器中传递过来的纹理坐标进行采样，得到具体的片元颜色：

sampler2D _MainTex;

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
	return tex2D(_MainTex, i.texcoord);
}

最终显示的效果如下：

可以看到这里显示的就是图片本身的颜色，这是因为在着色器中只是采样了图片的颜色，并没有光照计算的参与。也就是在图形引擎中，任何效果的设置只是表象，任何效果的实现都会归结到着色器中。