Unity Shader 入门精要 | 第三章 Unity Shader 基础

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以渲染模型为例子，讲述了在没有 Unity 编辑器情形下进行渲染的伪代码：
加载顶点着色器、片元着色器 -> 加载到 GPU 中 -> 设置顶点数据 -> 设置纹理数据 -> 设置 MVP 矩阵 -> 设置是否混合 -> 深度测试 -> 其他设置

这样的设置需要管理多个文件、函数等，对开发者负担比较重。

为了解决上面对问题，Unity 提供了 Unity Shader 让开发者更加轻松的管理着色器代码和渲染设置。

3.1 Unity Shader 概述

3.1.1 一对好兄弟：材质和 Unity Shader

Unity 中需要配合使用材质（Material）和 Unity Shader 才能达到需要的效果。
一个常见的流程：

创建一个材质；
创建一个 Unity Shader；
将 Unity Shader 赋给材质；
将材质赋给需要渲染的对象；
在材质面板中调整 Unity Shader 的属性，以得到满意的效果；

3.1.2 Unity 中的材质

材质如何创建？

Project 视图->右键->Create->Material (推荐做法)
Unity 菜单栏->Assets->Create->Material
备注：两个弹窗是一样的。

选中创建的材质，会出现对应的面板，方便调整材质的参数。

3.1.3 Unity 中的 Shader

Unity 中的 Shader 有 4 类：

Standard Surface Shader 包含了标准光照模型的表面着色器模板；
Unlit Shader 不含光照的 Shader
Image Effect Shader 为屏幕后处理效果服务
Compute Shader 主要用于和渲染无关的 GPU 计算（利用 GPU 并行性）

3.2 Unity Shader 的基础 ShaderLab

ShaderLab 是 Unity Shader 的说明性语言。结构如下：

Shader "ShaderName" {
    Properties {
        // 属性
    }
    SubShader {
        // 显卡 A 使用的着色器
    }
    SubShader {
        // 显卡 B 使用的着色器
    }
    Fallback "VertexLit"
}

Unity 会将 Unity Shader 编译成真正的代码和 Shader 文件，开发人员只需要和 Unity Shader 打交道。

3.3 Unity Shader 的结构

3.3.1 给我们的 Unity Shader 起个名字

如果创建的 Shader 形如：

Shader "Custom/MyShader" {}

那么在材质面板上选择 Shader 的时候，其路径为： Shader -> Custom -> MyShader

3.3.2 材质和 Unity Shader 的桥梁：Properties

Properties {
    Name1 ("display name1", PropertyType1) = DefaultValue1
    Name2 ("display name2", PropertyType2) = DefaultValue2
}

Properties {
    _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
    _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
    _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
}

Properties 语义块支持的属性类型：

_Int("Int", Int) = 2
_Float("Float", Float) = 1.5
_Range("Range", Range(0.0, 5.0)) = 3.0
_Color("Color", Color) = (1,1,1,1)
_Vector("Vector", Vector) = (2,3,6,1)
_2D("2D", 2D) = ""{}
_Cube("Cube", Cube) = "white" {}
_3D("3D", 3D) = "black"{}

为了在 Shader 中使用这些属性，需要在 Cg 代码片中定义这些属性类型相匹配的变量。
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。

3.3.3 重量级成员 SubShader

一个 Unity Shader 可以有多个 SubShader 语义块。Unity 加载 Unity Shader 时，会扫描所有的 SubShader ，选择第一个能够在目标平台上运行的 SubShader。否则将使用 Fallback 指定的 Unity Shader。——这样可以针对不同显卡的设备进行有针对性的表现。

SubShader 的格式如下：

    [Tags]
    [RenderSetup]
    Pass {
    }
    // .......

Pass 可以有多个，但是多个 Pass 会造成渲染性能下降——尽量使用最少数目的 Pass。
[RenderSetup] 是可选状态，包括剔除模式、深度测试、深度写入、混合模式相关的内容。（具体的参数暂时不需要了解，后续深入学习）

[Tags] 是一个键值对，键和值都是字符串。

Tags { "TagName1" = "Value1" "TagName2" = "Value2" }

包括以下标签：
Queue——控制渲染顺序 Tags {"Queue"="Transparent"}
RenderType——对着色器进行分类 Tags {"RenderType"="Opaque"}
DisableBatching——是否禁用批处理 Tags {"DisableBatching"="True"}
ForceNoShaderCasting——强制没有投射阴影 Tags {"ForceNoShaderCasting"="True"}
IgnoreProjector——是否忽略 Projector 的影响（通常用于半透明物体） Tags {"IgnoreProjector"="True"}
CanUseSpriteAtlas——当该 SubShader 用于精灵时，该标签设置为 False Tags {"CanUseSpriteAtlas"="False"}
PreviewType——指明材质面板将如何预览该材质（默认是一个球形，可以改为 "Plane"、"SkyBox"） Tags {"PreviewType"="Plane"}

Pass 语义块
UsePass：复用其他 Unity Shader 中的 Pass。用法： UsePass "MyShader/MYPASSNAME"
GrabPass：该 Pass 抓取屏幕并将结果储存在一张纹理中，用于后续的 Pass 处理。

3.4 Unity Shader 的形式

Unity 中主要可以使用 3 种形式来便携 Unity Shader

表面着色器
顶点/片元着色器
固定函数着色器
无论哪种着色器，真正意义上的 Shader 代码都需要包含在 ShaderLab 语义块中：

Shader "MyShader" {
    Properties {
        // 所需的各种属性
    }
    SubShader {
        // 真正意义上的 Shader 代码出现在此处
        // 表面着色器
        // 顶点/片元着色器
        // 固定函数着色器   
    }
}

3.4.1 表面着色器

表面着色器（Surface Shader）是 Unity 自己创造的一种着色器代码类型。特点是：需要的代码量少，渲染代价比较大，多光照场景下使用。

Shader "Custom/Simple Surface Shader" {
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque"}
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert
        struct Input {
            float4 color : COLOR;
        };
        void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o){
            o.Albedo = 1;
        }
        ENDCG
    }
    Fallback "Diffuse"
}

注意点： Cg/HLSL 语言和原生的基本一致，但少数原生函数和用法 Unity 没有支持。

3.4.2 顶点/片元着色器

顶点/片元着色器的代码要写在 CGPROGRAM 和 ENDCG 之间。我们可能要编写更多的代码，但是灵活性最高。

Shader "Custom/Simple VertexFragment Shader" {
    SubShader {
        Pass {
            CGPROGRAM
            #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(1.0,0.0,0.0,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

3.4.3 固定函数着色器 Fixed Function Shader

固定着色器必须使用 ShaderLab 语法。后续基本不实用。

3.4.4 选择哪种形式的 Unity Shader

除非明确需要使用到固定函数着色器，否则一般不使用；
如果需要和各种光源打交道，那么使用表面着色器。但是需要小心移动平台的性能表现；
如果光源比较少，比如只有一个平行光，那么使用顶点/片元着色器是一个更好的选择；
如果有很多需要自定义的渲染效果，请选择顶点/片元着色器。

3.5 本书使用的 Unity Shader 的形式

本书重点使用顶点/片元着色器进行 Unity Shader 的编写。