Unity3d之Shader开发介绍

Shader是为渲染管线中的特定处理阶段提供算法的一段代码。shader是伴随着可编程渲染管线出现的，它的出现使得游戏开发者可以对渲染过程加以控制，拥有更大的创作空间，因此Shader的出现可以看作是实时渲染技术的一次革命。

为了方便游戏开发者使用，Unity提供了大量的内建Shader，包括从最简单的顶点光照效果到高光，法线，反射等游戏中最常用的材质效果。

内建的shader根据应用对象可以分为以下几大类：

普通Normal Shader Family：用于不透明的对象。
透明Transparent Shader Family：用于透明的对象。
透明镂空效果Transparent Cutout Shader Family：用于包含完全透明部分的半透明对象。
自发光Self-illuminated Shader Family：用于有发光效果的对象。
反射Reflective Shader Family：用于能反射环境立方体贴图的不透明对象。

如何在效果各异的内建Shader中选择最合适的Shader是开发者需要考虑的问题，毕竟视觉效果越好的Shader，一般渲染开销也越大，同时对硬件的要求也越高。游戏开发者需要在游戏画面和游戏性能之间做出平衡。

以下是不同的光照效果从低到高的计算开销排序；

Unlit：仅适用纹理颜色，不受光照影响。
VertexLit：顶点光照。
Diffuse：漫反射。
Specular：在漫反射基础上增加高光计算。
Normal mapped：法线贴图，增加了一张发现贴图和几个着色器指令。
Normal mapped Specular：带高光法线贴图。
Parallax Normal Mapped：视差法线贴图，增加了视差贴图的计算开销。
Parallax Normal Mapped Specular：带高光视差法线贴图。

三种自定义的Shader

Unity中，开发者可以编写3种类型的Shader：

ü 表面着色器Surface Shaders：通常情况下用户都会使用这种Shader，它可以与灯光，阴影，投影器进行交互。表面着色器的抽象层次比较高，它可以容易地以简洁方式实现复杂的着色器效果。表面着色器可同时正常工作在前向渲染及延迟渲染模式下。表面着色器以Cg/HLSL语言进行编写。

ü 顶点和片段着色器Vertex and fragment Shaders：如果需要进行一些表面着色器无法处理的酷炫效果，或者编写的Shader不需要与灯光进行交互，或者想要的只是全屏图像效果，那么可以使用顶点和片段着色器。这种Shader可以非常灵活地实现想要的效果，但是需要编写更多的代码，并且很难与Unity的渲染管线完美集成。顶点和片段着色器同样是用Cg/HLSL语言编写。

ü 固定功能管线着色器Fixed Function Shaders：如果游戏运行在不支持可编程管线的老旧硬件上，那么就需要编写这种Shader。固定功能管线着色器可以作为片段或表面着色器的备用选择，这在当硬件无法运行那些炫酷Shader的时候哦，还可以通过固定功能管线着色器来绘制出一些基本的内容。固定功能管线着色器完全以ShaderLab语言编写，类似于微软的Effects或者是Nvidia的CgFX。

无论编写哪种Shader代码，都需要嵌在ShaderLab代码中，Unity需要通过ShaderLab代码来组织Shader结构。

shader Language目前主要有三种语言：基于OpenGL的GLSL，基于Direct3D的HLSL，还有NVIDIA公司的Cg语言。

HLSL全称是"High Level Shading Language"
cg全称是"C for Graphic"
GLSL全称是"OpenGL Shading Language"

Shader language原理

使用shader language编写的程序被称之为shader program着色程序。着色程序分为两类：vertex shader program顶点着色程序和fragment shader program片段着色程序。

GPU上有两个组件：Programmable vertex processor可编程点处理器，又称为顶点着色器；Programmable fragment processor可编程片段处理器，又称为片段着色器。

顶点和片段处理器都拥有非常强大的并行计算能力，并且非常擅长于矩阵（不高于4阶）计算，片段处理器还可以高速查询纹理信息（目前顶点处理器还不行，这是顶点处理器的一个发展方向）。

顶点着色器控制顶点坐标转换过程，片段着色器控制像素颜色计算过程。前者的输出是后者的输入。

现阶段可编程图形硬件的输入/输出。输入寄存器存放的是输入的图元信息，输出寄存器存放的是处理后的图元信息，纹理Buffer存放的是纹理数据，目前大多数的可编程图形硬件只支持片段处理器处理纹理；从外部宿主程序输入的常量放在常量寄存器中；临时寄存器存放着色程序在执行过程中产生的临时数据。

shader language被定位是高级语言，但是却没有独立于硬件，而是完全依赖于GPU架构，所以GPU编程技术的发展本质上还是图形硬件的发展。

eg：

 Shader "MyShader"{//Shader的名称

 Properties{

 _MyTexture("My Texture",2D) = "White"{}

 //在这里定义Shader中使用的属性，例如颜色，向量，纹理

 }

 SubShader{

 //在这里编写Shader的实现代码

 //包括表面着色器，顶点和片段着色器的Cg/HLSL代码

 //或者是固定功能管线着色器的ShaderLab代码

 }

 SubShader{

 //在这里实现简化版的备选Shader，用于在不支持高级Shader特性的老硬件上运行

 }

 }

创建Shader

在Unity中开始编写Shader代码前，需要在项目工程中创建一个Shader文件，着点和编写脚本一样。

ShaderLab基础语法

在Unity中提供了一种名为ShaderLab的着色器语言来编写Shader，语法类似Cg语言，该语言能够描述材质所需要的各种特性，并且可以很方便地通过Inspector视图来查看和修改。

eg:

 Shader "Simple colored lighting"{

 Properties{//定义一个名为Main Color的颜色属性

 _Color("Main Color",Color) = (,0.5,0.5,)

 }

 SubShader{//Shader的实现代码

 Pass{

 Material{

 Diffuse[_Color]

 }

 Lighting On

 }

 }

 }

示例运行效果如下：

注意：Unity中的游戏体不能为默认材质添加Shader。要想使用自定义的Shader，首先需要自定义一个材质球，然后才可以使用自定义的Shader。

语法解析

由上面的代码可以看出，Shader的第一行指明了Shader的名字：“Simple colored lighting”。紧跟着就是Shader的第一个重要组成部分，Properties{ }。我们可以在Properties里面定义一系列属性，这些属性被下面的SubShader所共享，它们可以让你在Unity的面板里直观地控制Shader变量，影响渲染结果。

Shader根命令：每个着色器都需要定义一个唯一的Shader根命令。其结构如下：

Shader “着色器名称”{

Properties{} //属性定义

SubShader{} //子着色器1

SubShader{} //子着色器2

...

Fallback "备用着色器名称" //如果所有子着色器都不能运行，则使用备用着色器

}

Properties属性

定义：用来定义着色器中使用的贴图资源或者数值参数等，这些属性会在Inspector视图的材质界面中显示，可以方便地进行设置及修改。

在示例中，Properties代码块中定义了一个名为Main Color的颜色属性。

着色器的属性定义在属性代码中，语法为:

Properties{

 //属性列表

　　_Name ( "Displayed Name", type ) = default value {options}

_Name：程序中引用的名字，和我们一般理解的变量名称是一样的。
Displayed Name：这个字符串将会出现在Unity材质的编辑面板上。
type：该属性的类型。Unity支持以下几种属性类型：

Color：表示一个单一的RGBA颜色值；
2D：表示一张大小为2的次方的纹理贴图，可以使用基于模型UV坐标来进行采样；
Rect：表示一张纹理不是2的次方的纹理贴图；
Cube：表示一个可用于反射的3D立方体映射贴图，可以进行采样；
Range(min, max)：一个取值范围在min到max之间的浮点值；
Float：一个可以为任意值的浮点值；
Vector：一个4维度的向量。

default value：该属性的默认值。

Color：使用浮点值表示的(r, g, b, a)，例如(1,1,1,1)；
2D/Rect/Cube：对于贴图类型的属性，默认值可以是一个空字符串，或者"white", "black", "gray", "bump"这样的字符串；
Float/Range：在此范围内的值即可；
Vector：以(x,y,z,w)形式表示的4D向量；

{ options }：只和纹理类型的2D、Rect和Cube相关，它必须至少被指定为{ }。你可以使用空格分隔多个选项，有如下选择：

TexGen贴图生成模式：该纹理的自动纹理坐标生成模式。可以为ObjectLinear, EyeLinear, SphereMap, CubeReflect, CubeNormal。这些直接对应了OpenGL中的texgen modes。注意，如果你编写了一个顶点函数，那么可以忽略TexGen。

SubShader子着色器

一个着色器包含一个或者多个着色器，当Unity使用着色器渲染时，会从上到下遍历子着色器，找到第一个能被用户设备支持的子着色器，并使用该子着色器进行渲染。如果没有子着色器能够运行，那么会使用备用着色器。

子着色器由标签(可选)、通用状态(可选)、Pass列表组成。定义子着色器的语法结构为：

SubShader{

     [Tags标签]

    [CommonState通用状态]

    Passdef[Passdef... Pass定义]

}

在Unity使用子着色器进行渲染时，每个Pass都会渲染一次对象(有时会根据光照交互情况渲染多次)。由于每次渲染都会有一定的开销，因此尽量减少不必要的Pass的数量。

eg:

SubShader{

    Pass{

    Lighting Off//关闭灯光

    SetTexture [_MainTex]{}//使用纹理MainTex

    }

}

Pass

在每个Pass中，对象的几何体都会被渲染一次。定义Pass的语法如下：

Pass{

    [Name and Tags名称和标签]

    [RenderSetup渲染设置]

    [TextureSetup纹理设置]

}

Pass{

    Name and Tags名称和标签]

    [RenderSetup渲染设置]

    [TextureSetup纹理设置]

}

Pass包含一个可选的名称和标签列表、一个可选的渲染命令列表和一个可选的纹理列表。

[Name and Tags名称和标签]：可以定义Pass的名称以及任意数量的标签，为Pass命名后可以在别的着色器中通过Pass名称来重用它。标签可以用来向渲染管线说明Pass的意图，它是键-值对的形式。

[RenderSetup渲染设置]：Pass里可以设置图形硬件的各种状态，例如开启Alpha混合、开启雾效等。Pass里可用的渲染设置命令如下表：

[TextureSetup纹理设置]：在设置渲染状态以后，可以指定一些使用的纹理及其混合模式。纹理设置的语为：

SetTexture 纹理属性{

[命令选项]

}

纹理设置用于固定功能管线，如果使用表面着色器或自定义的顶点及片段着色器，那么纹理设置将会被忽略。

SetTexture的命令选项包括三种：

combine：将两个颜色混合，混合的源可以是previous上一次SetTexture的结果、constant常量颜色值、primary顶点颜色、texture纹理颜色的一种。
constantColor：设置一个常量颜色值。
matrix：设置矩阵对纹理坐标进行变换。

另外Unity里还可以使用两种特殊的Pass来重用一些常用的功能，或者是实现一些高级功能，它们是：

1）UsePass：可以通过UsePass来重用其他着色器里命名的Pass。

eg：

UsePass "Specular/BASE" //使用高光着色器Specular中命名为BASE的Pass

UsePass的使用可以减少代码的重复，提高代码的重用率，提高开发效率。

2）GrabPass：将屏幕抓取到一个纹理中，供后续的Pass使用看，可以通过GrabTexture来访问。

备用着色器Fallback

Fallback语句一般位于所有子着色器之后，它的含义是如果当前硬件不支持任何子着色器，那么将使用备用着色器。

Fallback语句的用法有两种：

Fallback"备用着色器名称"，例如Fallback "Diffuse"。

Fallback Off，声明不使用备用着色器，当没有子着色器能够运行时也不会发出警告。