Unity3D shader

灰太狼 2022-08-18 00:41 331阅读 0赞

# 什么是Shader #

Shader，也就是着色器，它的工作就是读取你的网格并渲染在屏幕上。Shader可以定义一些属性，你会用它来影响渲染模型时所显示的效果。当存储了这些属性的设置时，就是一个Material，材质。

Shader有以下几个种类：

*  Surface Shaders —— 也称为表面着色器。这大概是Unity的骄傲。它去除了大部分“麻烦的工作”，可以适用于很多情况下
 *  Fragment Shaders —— 片段着色器。它允许你做更多的工作，但也更难写，而且它还让我们可以做低层的一些东西，像顶点光照，这对于移动设备和多个通道（passes）所必需的更高级的效果会非常有用。

# Shader学习资料 #

[Martin Kraus的Unity CG Wiki Book][Martin Kraus_Unity CG Wiki Book]

[Unity官网的Shader手册][Unity_Shader]

[NVidia的CG编程教程][NVidia_CG]

[CreativeTD的Surface Shaders系列视频教程][CreativeTD_Surface Shaders]

[CgCookie的Shader初级视频教程][CgCookie_Shader]

[CgCookie的Shader中级视频教程][CgCookie_Shader 1]

[风雨冲的Shader教程系列][Shader]

嘿嘿，当然还有我正在学的《[Unity Shaders and Effects Cookbook][]》一书（[专栏][Link 1]）。

以下将对Surface Shaders进行概述。其中主要参考了[Unity Gems][]。

# Shader管道 #

Shader的工作是把一系列几何图形变成2D屏幕上的像素颜色。一个Surface Shader看起来像这样：

![SouthEast][]

但要注意，当你的函数退出之后，并不是得到像素的最终颜色，你还可以通过传递一个法线向量来影响光照。

Fragment Shaders也有类似的管道，但必须包含其中的Vertex Function，并在其中需要做大量的工作以为下一步像素颜色的计算做准备。而Surface Shaders则隐藏了这一步。

以上就是你的Surface Shaders的代码是如何被调用。Surface Shaders的代码需要看起来像这样：

![SouthEast 1][]

总结一下就是：首先需要定义一些Properties，然后将有一个或多个Subshaders。使用的subshader将取决于所运行的平台。除此之外，还应该指定一个Fallback Shader，如果你的subshaders都不可以在目标设备上运行，那么就会调用这个备用Shader。

每个subshader都至少具有一个Pass，它读入数据处理后再输出数据。你可以使用这些passes执行不同的操作。例如，在Grab Pass中你可以捕捉到显示屏上已经呈现的像素。通过这种方法可以得到一些高级的屏幕效果。另外需要有多个passes的情况是，你需要处理不同的事情，像在创建效果的不同阶段写入或者忽略缓冲区。

当你编写一个Surface Shader时，是直接写在Subshader里面的。系统将会把你的代码编译成多个passes。

虽然着色器是写入到一个2D屏幕上，但是它也保持了每个像素距离摄像机的远近 —— 以此来避免后续渲染的对象在空间上位于已渲染对象的后面，但却覆盖了之前像素的情况出现。  
  
你可以使用Pass中的语句来控制这个Z方向的缓存是否对你的着色器代码有影响，或者你的Shader是否写入该缓冲区内，例如： Zwrite Off表明不会更新你的任何输出像素的Z方向的缓存区。  
  
您可以使用这种技术来在其他对象上打孔 —— 通过写入Z缓冲区，但不输出任何实际的像素颜色，那么使用这个Shader的模型背后的对象将不能被写入（因为Z缓冲区中有距离更近的像素了），这样看起来这个对象就像是被打了洞一样。

下面展示了一个最简单的Surface Shader：

![SouthEast 2][]

下一次，将对上面代码中的几个部分分别做出说明：Properties，Tags，SubShader的结构，Input结构体，surf函数等。

# 理解Shader代码 #

接下来，我们将概要地解释Shader中各个部分的作用，进一步理解Shader。

## Properties ##

由上面的代码可以看出，Shader的第一行指明了Shader的名字：“Example/Diffuse Texture”。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。

这些属性的定义格式如下：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  \_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。

下面的实例展示了Properties的写法：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  //Define a color with a default value of semi-transparent red 
2.  \_MainColor ("Main Color", Color) = (1,0,0,0.5) 
3.  //Define a texture with a default of white 
4.  \_Texture ("Texture", 2D) = "white" \{\}

注意，在定义属性时不需要在末尾添加分号";"。

## Tags ##

我们的Surface Shader可以使用Tags进行装饰。这些Tags可以告诉硬件应该什么时候调用你的Shader。

在上述例子里，有：Tags \{ "RenderType" = "Opaque" \}，该指令告诉系统在渲染Opaque几何图形时调用我们的Shader。Unity定义了一系列这样的队列。另一个常用的是"RenderType" = "Transparent"，这表明你的Shader可能会输出一些半透明或全透明的像素。

其他的tags也同样非常有用，例如"IgnoreProjector"="True"，这表明你的对象不会受投影和"Queue"="xxxx"的影响。

Queue tag可以指定何时渲染你的Shader，详情可参见[这篇文章][Link 2]。

## Shader结构 ##

我们来看Shader下面的部分。

![SouthEast 3][]

可以看出，这部分代码使用CG语言写的，它有点像C语言。你可以去查看Nvidia的文档去了解更多内容。这里将会进行简单的介绍。

其中很重要的变量为float类型和向量（vec）类型，这两种类型可以紧跟一个2、3或者4进行定义。这种类型在图形处理里面非常常见。

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  //Define a float variable 
2.  vec2 coordinate; 
3.  //Define a color variable 
4.  float4 color; 
5.  //Multiply out a color 
6.  float3 multipliedColor = color.rgb \* coordinate.x;

我们可以使用.xyzw和.rgba符号访问存储在这些变量中的值（颜色、位置、法线等）。

我们还会遇到half和double类型。和字面表示的一样，这两种类型分别是普通float类型大小的一半和两倍。half通常被用于性能限制的情况下。还有一种类型是fixed，它表示固定小数的实数。

## 从Surface Shader输出信息 ##

因此，每个像素都会调用我们的Surface Shader。系统在模型的每个面片上进行插值，为我们的输入结构设置了当前值。

surf函函数和下面类似：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) \{ 
2.   o.Albedo = tex2D (\_MainTex, IN.uv\_MainTex).rgb; 
3.  \}

显然，我们是为SurfaceOutput中的Albedo属性进行了设置。SurfaceOutput是Unity为我们定义的一种结构体，它的定义如下：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  struct SurfaceOutput \{ 
2.   half3 Albedo; //The color of the pixel 
3.   half3 Normal; //The normal of the pixel 
4.   half3 Emission; //The emissive color of the pixel 
5.   half Specular; //Specular power of the pixel 
6.   half Gloss; //Gloss intensity of the pixel 
7.   half Alpha; //Alpha value for the pixel 
8.  \};

我们只需要填充上述成员变量，Unity在自动生成passes时会自行判断如何使用它们。

下面我们来解释Shader代码中最关键的部分。

首先，是surf函数的输入参数Input结构：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  struct Input \{ 
2.   float2 uv\_MainTex; 
3.  \};

只需要通过Input结构体，我们就可以告诉系统，为当前正在处理的像素得到在MainTex中对应的纹理坐标。如果不止一张纹理，例如还有一张\_OtherTexture，我们只需要添加如下代码：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  struct Input \{ 
2.   float2 uv\_MainTex; 
3.   float2 uv\_OtherTexture; 
4.  \};

如果对于这种纹理，我们需要第二组uv坐标，可以添加如下代码：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  struct Input \{ 
2.   float2 uv\_MainTex; 
3.   float2 uv2\_OtherTexture; 
4.  \};

Input结构体通常包含了所有贴图的uv或uv2坐标。但是，如果我们的Shader比较复杂，并且需要了解像素渲染的其他信息，我也就可以通过将其包括在Input结构体中来要求得到这些变量。

*  float3 viewDir：视角方向，用于计算视差效果和边缘照明等；  
    
 *  使用COLOR语义的float4：包含了插值后的逐顶点颜色；
 *  float4 screenPos：屏幕空间中的位置；  
    
 *  float3 worldPos：世界空间中的位置；  
    
 *  float3 worldRefl：如果Surface Shader没有改写o.Normal，将包含了环境反射向量；  
    
 *  float3 worldNormal：如果Surface Shader没有改写o.Normal，将包含了环境法线向量；  
    
 *  INTERNAL\_DATA：当我们需要改写o.Normal时，一些函数，如WorldNormalVector等，需要该变量进行计算；

最后，我们来解释下面这句话：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  Sampler2D \_MainTex;

对于Properties中定义的每一个属性，你都需要在CG程序中声明一个变量来访问它。而且该变量和属性的名称必须完全一样。

![SouthEast 4][]

当该属性是一张文字，而你需要在Input结构中得到对应的uv坐标时，uv或者uv2后面的名称也必须和属性名相同。

在上图中，\_MainTex对应了一张纹理贴图，它对应的变量类型就是sampler2D类型，只要得到了一个uv坐标，我们就可以在贴图上进行采样得到颜色值。

surf函数中仅用了一个函数：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  o.Albedo = tex2d( \_MainTex, IN.uv\_MainTex).rgb;

它使用Input中得到的该像素对应的\_MainTex中的uv坐标，在\_MainTex进行采样，得到一个float4类型的颜色值（包括了透明通道）。如果我们需要得到透明通道的值，可以这样做：

**\[plain\]** [view plain][] [copy][view plain] [print][view plain] [?][view plain] [![在CODE上查看代码片][CODE]][CODE_CODE] [![派生到我的代码片][ico_fork.svg]][ico_fork.svg 1]

1.  float4 texColor = tex2d( \_MainTex, IN.uv\_MainTex ); 
2.  o.Albedo = texColor.rgb; 
3.  o.Alpha = texColor.a;

# 总结 #

呼呼呼，本文主要介绍了Unity中Shader的两种主要类型，并对其他的一种类型Surface Shader做了一个初步的概述。希望通过本文，大家可以有一个大概的认识，当然，深入的学习和理解还有很长的一段路要走啊。

[Martin Kraus_Unity CG Wiki Book]: https://en.wikibooks.org/wiki/Cg_Programming/Unity
[Unity_Shader]: http://docs.unity3d.com/Manual/SL-Reference.html
[NVidia_CG]: http://http.developer.nvidia.com/CgTutorial/cg_tutorial_chapter01.html
[CreativeTD_Surface Shaders]: http://www.creativetd.com/?page_id=617
[CgCookie_Shader]: http://cgcookie.com/unity/cgc-courses/noob-to-pro-shader-writing-for-unity-4-beginner/
[CgCookie_Shader 1]: http://cgcookie.com/unity/cgc-courses/noob-to-pro-shader-writing-for-unity-4-intermediate/
[Shader]: http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1192309394_4_1.html
[Unity Shaders and Effects Cookbook]: http://www.packtpub.com/unity--shaders-and-effects-cookbook/book
[Link 1]: http://blog.csdn.net/column/details/unity-shaders.html
[Unity Gems]: http://unitygems.com/noobshader1/#prettyPhoto
[SouthEast]: /images/20220731/ebb1a02a85c54d9aa8a720466a1b3900.png
[SouthEast 1]: /images/20220731/8c245578b6054fdcba4994d57a08602c.png
[SouthEast 2]: /images/20220731/8e617b7f19fa4efcaf9adf27f494fcff.png
[view plain]: http://blog.csdn.net/candycat1992/article/details/37882765#
[CODE]: https://code.csdn.net/assets/CODE_ico.png
[CODE_CODE]: https://code.csdn.net/snippets/428819
[ico_fork.svg]: https://code.csdn.net/assets/ico_fork.svg
[ico_fork.svg 1]: https://code.csdn.net/snippets/428819/fork
[Link 2]: http://blog.csdn.net/candycat1992/article/details/37345251#t3
[SouthEast 3]: /images/20220731/09bc7d841190404b8c0f84abfde5b3c0.png
[SouthEast 4]: /images/20220731/b50a8692770f4313837d34d3e4cf4e6b.png