Unity3D Shader 入门

什么是Shader

Shader（着色器）是一段能够针对3D对象进行操作、并被GPU所执行的程序，它负责将输入的Mesh（网格）以指定的方式和输入的贴图或者颜色等组合作用，然后输出。绘图单元可以依据这个输出来将图像绘制到屏幕上。输入的贴图或者颜色等，加上对应的Shader，以及对Shader的特定的参数设置，将这些内容（Shader及输入参数）打包存储在一起，得到的就是一个Material（材质）。之后，我们便可以将材质赋予合适的renderer（渲染器）来进行渲染（输出）了。Shader并不是一个统一的标准，不同的图形接口的Shader并不相同。OpenGL的着色语言是GLSL， NVidia开发了Cg，而微软的Direct3D使用高级着色器语言（HLSL）。而Unity的Shader 是将传统的图形接口的Shader（由 Cg / HLSL编写）嵌入到独有的描述性结构中而形成的一种代码生成框架，最终会自动生成各硬件平台自己的Shader，从而实现跨平台。

Shader种类

OpenGL和Direct3D都提供了三类着色器：

• 顶点着色器：处理每个顶点，将顶点的空间位置投影在屏幕上，即计算顶点的二维坐标。同时，它也负责顶点的深度缓冲（Z-Buffer）的计算。顶点着色器可以掌控顶点的位置、颜色和纹理坐标等属性，但无法生成新的顶点。顶点着色器的输出传递到流水线的下一步。如果有之后定义了几何着色器，则几何着色器会处理顶点着色器的输出数据，否则，光栅化器继续流水线任务。
• 像素着色器(Direct3D)，常常又称为片断着色器(OpenGL)：处理来自光栅化器的数据。光栅化器已经将多边形填满并通过流水线传送至像素着色器，后者逐像素计算颜色。像素着色器常用来处理场景光照和与之相关的效果，如凸凹纹理映射和调色。名称片断着色器似乎更为准确，因为对于着色器的调用和屏幕上像素的显示并非一一对应。举个例子，对于一个像素，片断着色器可能会被调用若干次来决定它最终的颜色，那些被遮挡的物体也会被计算，直到最后的深度缓冲才将各物体前后排序。
• 几何着色器：可以从多边形网格中增删顶点。它能够执行对CPU来说过于繁重的生成几何结构和增加模型细节的工作。Direct3D版本10增加了支持几何着色器的API, 成为Shader Model 4.0的组成部分。OpenGL只可通过它的一个插件来使用几何着色器。

Shader大体上可以分为两类，简单来说

• 表面着色器（Surface Shader） - 为你做了大部分的工作，只需要简单的技巧即可实现很多不错的效果。类比卡片机，上手以后不太需要很多努力就能拍出不错的效果。
• 片段着色器（Fragment Shader） - 可以做的事情更多，但是也比较难写。使用片段着色器的主要目的是可以在比较低的层级上进行更复杂（或者针对目标设备更高效）的开发。

Shader程序结构

基本的表面着色器示例：

Shader "Custom/Diffuse Texture" {
  Properties {
      _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
  }
  SubShader {
      Tags { "RenderType"="Opaque" }
      LOD 

      CGPROGRAM
      #pragma surface surf Lambert

      sampler2D _MainTex;

      struct Input {
          float2 uv_MainTex;
      };

      void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
          half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
          o.Albedo = c.rgb;
          o.Alpha = c.a;
      }
      ENDCG
  }
  FallBack "Diffuse"
}

基本的顶点片段着色器示例：　　

Shader "VertexInputSimple" {
  SubShader {
    Pass {
      CGPROGRAM
      #pragma vertex vert
      #pragma fragment frag
      #include "UnityCG.cginc"

      struct v2f {
          float4 pos : SV_POSITION;
          fixed4 color : COLOR;
      };

      v2f vert (appdata_base v)
      {
          v2f o;
          o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
          o.color.xyz = v.normal * 0.5 + 0.5;
          o.color.w = 1.0;
          return o;
      }

      fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { return i.color; }
      ENDCG
    }
  }
}

下面主要介绍表面着色器

在Properties{}中定义着色器属性，在这里定义的属性将被作为输入提供给所有的子着色器。每一条属性的定义的语法是这样的：

_Name("Display Name", type) = defaultValue[{options}]

• _Name - 属性的名字，简单说就是变量名，在之后整个Shader代码中将使用这个名字来获取该属性的内容
• Display Name - 这个字符串将显示在Unity的材质编辑器中作为Shader的使用者可读的内容
• type - 这个属性的类型，可能的type所表示的内容有以下几种：

关键字	类型	对应Cg类型	例
Float	浮点数 (任意一个浮点数)	float	_MyFloat (“My float”, Float) = 0.5
Range	浮点数 (在指定范围内) (一个介于最小值和最大值之间的浮点数，一般用来当作调整Shader某些特性的参数（比如透明度渲染的截止值可以是从0至1的值等）)	float	_MyRange (“My Range”, Range(0.01, 0.5)) = 0.1
Color	浮点四元组 ( 一种颜色，由RGBA（红绿蓝和透明度）四个量来定义)	float4	_MyColor (“Some Color”, Color) = (1,1,1,1)
Vector	浮点四元组 (一个四维数)	float4	_MyVector(“Some Vector”,Vector) = (1,1,1,1)
2D	2的阶数大小的贴图 (一张2的阶数大小（256，512之类）的贴图。这张贴图将在采样后被转为对应基于模型UV的每个像素的颜色，最终被显示出来)	sampler2D	_MyTexture (“Texture”, 2D) = “white” {}
Rect	非2的阶数大小的贴图 (一个非2阶数大小的贴图)	sampler2D	_MyRect(“My Rect”, Rect) = “white” {}
CUBE	CubeMap (即Cube map texture（立方体纹理），简单说就是6张有联系的2D贴图的组合，主要用来做反射效果（比如天空盒和动态反射），也会被转换为对应点的采样)	samplerCUBE	_MyCubemap (“Cubemap”, CUBE) = “” {}

• defaultValue 定义了这个属性的默认值，通过输入一个符合格式的默认值来指定对应属性的初始值（某些效果可能需要某些特定的参数值来达到需要的效果，虽然这些值可以在之后在进行调整，但是如果默认就指定为想要的值的话就省去了一个个调整的时间，方便很多）。
  • Color - 以0～1定义的rgba颜色，比如(1,1,1,1)；
  • 2D/Rect/Cube - 对于贴图来说，默认值可以为一个代表默认tint颜色的字符串，可以是空字符串或者”white”,”black”,”gray”,”bump”中的一个
  • Float，Range - 某个指定的浮点数
  • Vector - 一个4维数，写为 (x,y,z,w)
• option它只对2D，Rect或者Cube贴图有关，在写输入时我们最少要在贴图之后写一对什么都不含的空白的{}，当我们需要打开特定选项时可以把其写在这对花括号内。如果需要同时打开多个选项，可以使用空白分隔。可能的选择有ObjectLinear, EyeLinear, SphereMap, CubeReflect, CubeNormal中的一个，这些都是OpenGL中TexGen的模式。

所以，一组属性的申明看起来也许会是这个样子的

//Define a color with a default value of semi-transparent blue
_MainColor ("Main Color", Color) = (,,,0.5)
//Define a texture with a default of white
_Texture ("Texture", 2D) = "white" {}

Tag

SubShader可以被若干的标签（tags）所修饰，而硬件将通过判定这些标签来决定什么时候调用该着色器。 比如我们的例子中SubShader的第一句：

Tags { "RenderType"="Opaque" }

比较常见的标签有：

• Queue 
  这个标签很重要，它定义了一个整数，决定了Shader的渲染的次序，数字越小就越早被渲染，早渲染就意味着可能被后面渲染的东西覆盖掉看不见。 
  预定义的Queue有：

  名字	值	描述
  Background	1000	最早被调用的渲染，用来渲染天空盒或者背景
  Geometry	2000	这是默认值，用来渲染非透明物体（普通情况下，场景中的绝大多数物体应该是非透明的）
  AlphaTest	2450	用来渲染经过Alpha Test的像素，单独为AlphaTest设定一个Queue是出于对效率的考虑
  Transparent	3000	以从后往前的顺序渲染透明物体
  Overlay	4000	用来渲染叠加的效果，是渲染的最后阶段（比如镜头光晕等特效）

• RenderType 
  “Opaque”或”Transparent”是两个常用的RenderType。如果输出中都是非透明物体，那写在Opaque里；如果想渲染透明或者半透明的像素，那应该写在Transparent中。这个Tag主要用ShaderReplacement，一般情况下这Tag好像也没什么作用。

另外比较有用的标签还有"IgnoreProjector"="True"（不被Projectors影响），"ForceNoShadowCasting"="True"（从不产生阴影）以及"Queue"="xxx"（指定渲染顺序队列）。

LOD

LOD是 Level of Detail的简写，确切地说是Shader Level of Detail的简写，因为Unity中还有一个模型的LOD概念，这是两个不同的东西。我们这里只介绍Shader中LOD，模型的LOD请参考这里。

Shader LOD 就是让我们设置一个数值，这个数值决定了我们能用什么样的Shader。可以通过Shader.maximumLOD或者Shader.globalMaximumLOD 设定允许的最大LOD，当设定的LOD小于SubShader所指定的LOD时，这个SubShader将不可用。通过LOD，我们就可以为某个材质写一组SubShader，指定不同的LOD，LOD越大则渲染效果越好，当然对硬件的要求也可能越高，然后根据不同的终端硬件配置来设置 globalMaximumLOD来达到兼顾性能的最佳显示效果。

Unity内建Shader定义了一组LOD的数值，我们在实现自己的Shader的时候可以将其作为参考来设定自己的LOD数值

• VertexLit及其系列 = 100
• Decal, Reflective VertexLit = 150
• Diffuse = 200
• Diffuse Detail, Reflective Bumped Unlit, Reflective Bumped VertexLit = 250
• Bumped, Specular = 300
• Bumped Specular = 400
• Parallax = 500
• Parallax Specular = 600

Shader本体

前面杂项说完了，终于可以开始看看最主要的部分了，也就是将输入转变为输出的代码部分。为了方便看，请容许我把上面的SubShader的主题部分抄写一遍

CGPROGRAM
#pragma surface surf Lambert

sampler2D _MainTex;

struct Input {
    float2 uv_MainTex;
};

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
    half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
    o.Albedo = c.rgb;
    o.Alpha = c.a;
}
ENDCG

首先是CGPROGRAM。这是一个开始标记，表明从这里开始是一段CG程序（我们在写Unity的Shader时用的是Cg/HLSL语言）。最后一行的ENDCG与CGPROGRAM是对应的，表明CG程序到此结束。

接下来是是一个编译指令：#pragma surface surf Lambert，它声明了我们要写一个表面Shader，并指定了光照模型。它的写法是这样的

#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]

• surface - 声明的是一个表面着色器
• surfaceFunction - 着色器代码的方法的名字
• lightModel - 使用的光照模型。

所以在我们的例子中，我们声明了一个表面着色器，实际的代码在surf函数中（在下面能找到该函数），使用Lambert（也就是普通的diffuse）作为光照模型。

接下来一句sampler2D _MainTex;，sampler2D是个啥？其实在CG中，sampler2D就是和texture所绑定的一个数据容器接口。等等..这个说法还是太复杂了，简单理解的话，所谓加载以后的texture（贴图）说白了不过是一块内存存储的，使用了RGB（也许还有A）通道，且每个通道8bits的数据。而具体地想知道像素与坐标的对应关系，以及获取这些数据，我们总不能一次一次去自己计算内存地址或者偏移，因此可以通过sampler2D来对贴图进行操作。更简单地理解，sampler2D就是GLSL中的2D贴图的类型，相应的，还有sampler1D，sampler3D，samplerCube等等格式。

解释通了sampler2D是什么之后，还需要解释下为什么在这里需要一句对_MainTex的声明，之前我们不是已经在Properties里声明过它是贴图了么。答案是我们用来实例的这个shader其实是由两个相对独立的块组成的，外层的属性声明，回滚等等是Unity可以直接使用和编译的ShaderLab；而现在我们是在CGPROGRAM...ENDCG这样一个代码块中，这是一段CG程序。对于这段CG程序，要想访问在Properties中所定义的变量的话，必须使用和之前变量相同的名字进行声明。于是其实sampler2D _MainTex;做的事情就是再次声明并链接了_MainTex，使得接下来的CG程序能够使用这个变量。

接下来是一个struct结构体。相信大家对于结构体已经很熟悉了，我们先跳过，直接看下面的的surf函数。上面的#pragma段已经指出了我们的着色器代码的方法的名字叫做surf，就是这段代码是我们的着色器的工作核心。我们已经说过不止一次，着色器就是给定了输入，然后给出输出进行着色的代码。CG规定了声明为表面着色器的方法（就是我们这里的surf）的参数类型和名字，因此我们没有权利决定surf的输入输出参数的类型，只能按照规定写。这个规定就是第一个参数是一个Input结构，第二个参数是一个inout的SurfaceOutput结构。

Input其实是需要我们去定义的结构，这给我们提供了一个机会，可以把所需要参与计算的数据都放到这个Input结构中，传入surf函数使用；SurfaceOutput是已经定义好了里面类型输出结构，但是一开始的时候内容暂时是空白的，我们需要向里面填写输出，这样就可以完成着色了。先仔细看看INPUT吧，现在可以跳回来看上面定义的INPUT结构体了：

struct Input {
    float2 uv_MainTex;
};

作为输入的结构体必须命名为Input，这个结构体中定义了一个float2的变量，表示浮点数的float后面紧跟一个数字2，float和vec都可以在之后加入一个2到4的数字，来表示被打包在一起的2到4个同类型数。比如下面的这些定义：

//Define a 2d vector variable
vec2 coordinate;
//Define a color variable
float4 color;
//Multiply out a color
float3 multipliedColor = color.rgb * coordinate.x;

在访问这些值时，我们即可以只使用名称来获得整组值，也可以使用下标的方式（比如.xyzw，.rgba或它们的部分比如.x等等）来获得某个值。

在这个例子里，我们声明了一个叫做uv_MainTex的包含两个浮点数的变量。

如果你对3D开发稍有耳闻的话，一定不会对uv这两个字母感到陌生。UV mapping的作用是将一个2D贴图上的点按照一定规则映射到3D模型上，是3D渲染中最常见的一种顶点处理手段。在CG程序中，我们有这样的约定，在一个贴图变量（在我们例子中是_MainTex）之前加上uv两个字母，就代表提取它的uv值（其实就是两个代表贴图上点的二维坐标 ）。我们之后就可以在surf程序中直接通过访问uv_MainTex来取得这张贴图当前需要计算的点的坐标值了。

回到surf函数，它的两有参数，第一个是Input：在计算输出时Shader会多次调用surf函数，每次给入一个贴图上的点坐标，来计算输出。第二个参数是一个可写的SurfaceOutput，SurfaceOutput是预定义的输出结构，我们的surf函数的目标就是根据输入把这个输出结构填上。SurfaceOutput结构体的定义如下

struct SurfaceOutput {
    half3 Albedo;     //像素的颜色
    half3 Normal;     //像素的法向值
    half3 Emission;   //像素的发散颜色
    half Specular;    //像素的镜面高光
    half Gloss;       //像素的发光强度
    half Alpha;       //像素的透明度
};

这里的half和我们常见float与double类似，都表示浮点数，只不过精度不一样。也许你很熟悉单精度浮点数（float或者single）和双精度浮点数（double），这里的half指的是半精度浮点数，精度最低，运算性能相对比高精度浮点数高一些，因此被大量使用。

在例子中，我们做的事情非常简单：

half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
o.Albedo = c.rgb;
o.Alpha = c.a;

这里用到了一个tex2d函数，这是CG程序中用来在一张贴图中对一个点进行采样的方法，返回一个float4。这里对_MainTex在输入点上进行了采样，并将其颜色的rbg值赋予了输出的像素颜色，将a值赋予透明度。于是，着色器就明白了应当怎样工作：即找到贴图上对应的uv点，直接使用颜色信息来进行着色。

接下来…

我想现在你已经能读懂一些最简单的Shader了，接下来我推荐的是参考Unity的Surface Shader Examples多接触一些各种各样的基本Shader。

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