Unity3D shader简介

可以肯定的说Unity3D使得很多开发者开发游戏更容易。毫无疑问，shader（着色器）编码，仍有很长的路要走。shader是一个专门运行在GPU的程序，经常被神秘包围，它最终绘制3D模型的三角形。如果你想给游戏一个特殊的显示，学习如何编写shader是必要的。Unity3D使用shader做后期处理，对2D游戏也是必不可少的。这个系列的文章将逐步介绍shader编程，并面向几乎没有任何shader知识的开发者。

简介

下图大致表示了在Unity3D渲染流程中发挥作用的3个不同实体：

3D模型本质上是，被称为顶点的3D坐标集合。他们连接在一起构成一些三角形。每个顶点包含一些其它的信息，如颜色、点指的方向（法线）、纹理映射坐标（UV数据）。

没有材质模型是不能被渲染的。材质包含一个shader和其属性值的封装。因此，不同材质可以共享相同的shader，赋予不同的数据。

shader剖析

Unity3D支持两种不同的shader：表面shader、片段和顶点shader。还有第三种类型：固定管线shader，但是如今已经过时了，将不包含在本系列文章。无论你需要的是哪种类型，shader的结构都一样：

Shader "MyShader"

{

Properties

{

// The properties of your shaders

// - textures

// - colours

// - parameters

// ...

}

SubShader

{

// The code of your shaders

// - surface shader

// OR

// - vertex and fragment shader

// OR

// - fixed function shader

}

可以包含多个SubShader，一个接一个。他们包含GPU的实际指令。Unity3D将找到与你显卡兼容的SubShader，并顺序执行他们。这对多平台编码是非常有用，因为你可以在一个文件中编写同一shader的不同版本。

属性

shader的属性在某种程度上相当于C#脚本中的public字段，他们将出现在材质的inspector面板，给你机会来调整。但不像脚本，材质是资源：编辑中游戏运行时修改材质的属性值是永久的。甚至游戏停止后，修改的属性值也是有效的。

下面的代码片段涵盖了你可以在shader中使用的所有基本类型的定义：

3~4行中的2D，表示参数是纹理。他们可以初始化为white、black、gray。你也可以使用bump表示使用法线贴图，这种情况下，它将自动初始为颜色#808080，这用来表示没有任何凸凹。Vector和Color总是有4个元素（分别为xyzw和rgba）。

下图展示了一个shader附着到一个材质上之后，在inspector面板中是如何显示的。

不幸的是，这对我们使用属性还不够。事实上，Properties块被Unity3D用来从inspector访问shader隐藏变量。这些变量仍需定义在shader中，它们包含在SubShader块中。

纹理的类型为sampler2D。向量是float4、颜色一般是half4，分别使用32和16位表示。用来编写shader的语言为Cg/HLSL，很迂腐：参数的名称必须与先前定义的匹配。然而类型不需要，例如把_MyRange声明为half而不是float不会报任何错误。一些令人困惑的是，如果你定一个向量类型的属性，关联到一个float2变量，额外的2个值将被Unity3D忽略。

渲染顺序

正如已提到的，SubShader块包含实际代码，使用Cg/HLSL（非常像C）编写。不严格地说，一个shader为图像的每个像素执行，它的性能非常关键。由于GPU的体系结构，一个shader中能够执行的指令数量有限制。可以通过分割几个部分执行，但本教程不包含这块。

一个SubShader通常看起来像这样：

第8~11行包含实际的Cg代码，通过CGPROGRAM和ENDCG指令示意。

第3行，在实际代码之前，介绍tags的概念。tags用来告诉Unity3D我们写的shader的某些属性。例如，shader渲染的顺序（Queue）和应该如何渲染（RenderType）。

当渲染三角形时，GPU通常根据它们离摄像机的距离，远的先绘制。这在渲染不透明的几何形状时够用了，但是透明物体将失败。这也是为什么Unity3D运行指定Queue标签，可以控制每个材质的渲染顺序。Queue接受正整数（越小越先绘制），预定义（mnemonic）的标签也可以使用：

l Background（1000）：用于背景和天空盒

l Geometry（2000）：默认标签，用于大部分不透明物体

l Transparent（3000）：用于包含透明属性的材质，例如玻璃、火、粒子、水

l Overlay（4000）：用于镜头耀斑，GUI元素和文本

Unity3D还允许指定相关顺序，例如Background+2，表示1002队列值。搞乱了Queue值会导致恶劣的情况，一个对象总是被绘制，即使它应该被其他模型遮挡住了。

Ztest

记住，一个包含透明属性（Transparent）的对象并不总是显示在不透明（Geometry）对象上面。默认情况下，GPU执行ZTest避免隐藏的对象被绘制。原理是，它使用了一个额外的缓冲区，其大小与屏幕渲染的相同。每个像素包含绘制对象在该像素的深度（离相机的距离）。如果我们要绘制一个像素比当前深度更大，像素就被丢弃。ZTest剪裁被其它对象遮挡住的像素，无论他们绘制到屏幕上的顺序。

表面 VS 顶点和片段

shader代码的最后一部分。在渲染之前，需要决定使用那种类型的shader。本节将给出shader效果惊鸿一瞥的样子，但不会深入解释。表面、顶点和片段shader将在本教材的下一部分覆盖。

表面shader

当材质需要根据光照模拟实际效果时，那么你就需要一个表面shader。表面shader在函数surf中隐藏光线如何被反射的计算，并允许指定“直观”的属性，如反照率、法线、反射率等。然后将这些值插入到光照模型，将输出每个像素的最终RGB值。或者，当需要非常高级的效果是，你也可以编写自己的光照模型。

一个典型的表面shader的Cg代码如下所示：

第5行指定输入的纹理，然后在第12行将指定Albedo属性。第3行指定使用Lambertian光照模型，这个是非常典型光照如何影响对象的模型。shader仅使用反照率属性通常称为漫反射（diffuse）。

顶点和片段shader

顶点和片段shader的工作贴近GPU渲染三角形的方式，并没有光照如何表现的概念。模型的几何形状首先通过一个调用函数vert，改变他的顶点。然后各个三角形通过另一个调用函数frag，这决定了最终每个像素的RGB颜色。这对2D效果非常有用，后期处理和特殊的3D效果非常付出需要使用表面shader。

下面的顶点和片段shader简单只是使用红色，没有光照：

第15~17行，将原始的3D空间顶点转换到最终的2D屏幕位置。Unity3D使用UNITY_MATRIX_MVP实现，隐藏了底层的实现数学运算。在此之后，第22行，给定每个像素为红色。只需要记住，顶点和片段shader的Cg部分需要封装到Pass块中。它跟简单的表面shader不一样。

结论

本篇文章逐渐引入了两种类型的Unity3D shader，并说明何时需要使用。接下来四篇文章，将介绍实现它们的细节。还有一个附加篇，将介绍屏幕shader，用于2D图像的后期处理。

Part 1: Unity3D shader简介(A gentle introduction to shaders in Unity3D)
Part 2: Unity3D表面shader(Surface shaders in Unity3D)
Part 3: Unity3D基于物理渲染和光照模型( Physically Based Rendering and lighting models in Unity3D)
Part 4: Unity3D顶点和片段shader(Vertex and fragment shader in Unity3D)
Part 5: Unity3D传递数组给shader(Passing arrays to a shader: heatmaps in Unity3D)
Part 6: Unity3D屏幕shader和效果后期处理(Screen shaders and postprocessing effects in Unity3D)