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《 Unity Shader 入门精要》第3章 Unity Shader 基础

news 来源：原创 2024/11/16 19:59:19

第3章 Unity Shader 基础

3.1 Unity Shader 概述

材质与 Unity Shader

在 Unity 中我们通常需要将材质（Material） 和 Unity Shader 配合使用，常见流程如下：

创建一个材质
创建一个 Unity Shader，并将它赋给材质
将材质赋给要渲染的对象
在材质面板调整 Unity Shader 的属性，以得到满意的效果。

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Unity 中的材质需要结合 GameObject 的 Mesh 或者 Particle Systems 组件来工作，它决定了我们的游戏对象看起来是什么样子的。默认情况下，一个新建的材质将使用 Unity 内置的 Standard Shader，这是一种基于物理渲染的着色器。
我们把 Unity 中的 Shader 文件统称为 Unity Shader，其与我们之前提到的渲染管线中的 Shader 有所不同。

3.2 Unity Shader 的基础： ShaderLab

什么是 ShaderLab?

Unity Shader 是 Unity 为开发者提供的高层级的渲染抽象层，Unity 希望通过这种方式来让开发者更加轻松地控制渲染。
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所有的 Unity Shader 都是使用 ShaderLab 来编写的，ShaderLab 是 Unity 提供的编写 Unity Shader 的一种说明性语言。它使用一种嵌套在花括号内部的语义（syntax）来描述一个 Unity Shader 文件的结构。从设计上，ShaderLab 类似于 CgFX 和 Direct#d Effects 语言，它们都定义要显示一个材质的所有东西，而不仅仅是着色器代码。
一个 Unity Shader 的基础结构如下所示：

Shader "ShaderName"{
	Properties{
		// 定义属性
	}
	SubShader {
		// 显卡 A 使用的子着色器
	}
	SubShader {
		// 显卡 B 使用的子着色器
	}
	Fallback "VertexLit"
}

Unity 会根据平台将 Unity Shader 编译成真正的代码和 shader 文件，而开发者只需要和 Unity Shader 打交道即可。

3.3 Unity Shader 的结构

名字

每个 Unity Shader 文件的第一行都需要通过 Shader 语义来制定该 Unity Shader 的名字：

Shader "Custom/MyShader" {}

Properties

Properties 语义块中包含了一系列的属性，这些**属性会出现在材质面板中。**Properties 语义块的定义通常如下：

Properties {
	Name ("display name", PropertyType) = DefaultValue
	Name ("display name", PropertyType) = DefaultValue
	...
}

名字（Name）用于我们在 Shader 代码中访问使用
显示的名字（display name）则是显示在材质面板上的名字
另外我们需要为每个属性指定他的类型（PropertyType），我们还需要为每个属性设置一个默认值

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Unity 允许我们重载默认的材质编辑面板，以提供更多自定义的数据类型，具体可参考Customer Shader GUI一文。

重量级成员 SubShader

每一个Unity Shader文件可以包含多个 SubShader 语义块，但最少要有一个。当Unity需要加载这个 Unity Shader 时，Unity 会扫描所有的 SubShader 语义块，然后选择第一个能够在目标平台上运行的 SubShader。如果都不支持的话，Unity 就会使用Fallback 语义指定的 Unity Shader。
SubShader语义块包含的定义通常如下：

SubShader {
	//可选的
	[Tags]
	
	//可选的
	[RenderSetup]
	
	Pass {}
	// Other Passes
}

标签（Tag）和渲染状态（RenderSetup）可以在 SubShader 中设置，也可以在 Pass 中设置，如果在 SubShader 中设置，则会对所有 Pass 生效，在 Pass 中设置则只对该 Pass 生效。
每个 Pass 定义了一次完整的渲染流程，如果 Pass 数目过多，往往会造成渲染性能下降，因此我们应尽量使用最小数目的 Pass。

RenderSetup

ShaderLab 提供了一系列渲染状态的设置指令，这些指令可以设置显卡的各种状态。
在这里插入图片描述

Pass 语义块

Pass 语义块包含的语义如下：

Pass {
	[Name]
	[Tags]
	[RenderSetup]
	// Other Code
}

首先我们可以在 Pass 中定义名称：

Name "MyPassName"

通过这个名称，我们可以在其他 Shader 中直接引用该 Pass：

UsePass "MyShader/MYPASSNAME"

需要注意的是，由于Unity内部会把所有 Pass 的名称转换成大写字母的表示，因此在使用 UsePass 命令时必须使用大写形式的名字。

3.4 Unity Shader 的形式

Unity Shader 支持三种方式：表面着色器（Surface Shader）、顶点/片元着色器（Vertex/Fragment Shader）、固定函数着色器（Fixed Function Shader）。

表面着色器

表面着色器（Surface Shader）是 Unity 自己创建的一种着色器类型，其是 Unity 对顶点/片元着色器的更高一层的抽象，它存在的价值在于，Unity 为我们处理了很多光照细节，使得我们不再需要操心这些“烦人的事情”。Unity 最后会将表面着色器转换为对应的顶点/片元着色器。
一个简单的表面着色器代码示例如下：

Shader "MyShader/Surface"
{
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert

        struct Input
        {
            float4 color : COLOR;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
        {
            o.Albedo = 1;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

表面着色器被定义在 SubShader 语义块（而非 Pass 语义块）中的 CGPROGRAM
和 ENDCG 之间。原因是，表面着色器不需要开发者关心使用多少个 Pass、每个 Pass 如何渲染等问题，Unity 会在背后为我们做好这些事情。

顶点/片元着色器

在Unity中我们可以使用 Cg/HLSL语言来编写顶点/片元着色器（Vertex/Fragment Shader）。它们更加复杂，但灵活性也更高。

Shader "MyShader/VertexFragment Shader"
{
    SubShader
    {
        Pass {
            CGPROGRAM
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            float4 vert(float4 v : POSITION) : SV_POSITION {
                return UnityObjectToClipPos(v);
            }

            fixed4 frag() : SV_Target {
                return fixed4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
            }

            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

和表面着色器类似，顶点/片元着色器的代码也需要定义在 CGPROGRAM 和 ENDCG
之间，但不同的是，顶点/片元着色器是写在 Pass 语义块内，而非 SubShader 内的。原因是我们需要自己定义每个 Pass 需要使用的 Shader 代码，虽然我们可能需要编写更多的代码，但带来的好处是灵活性很高。

固定函数着色器

对于一些不支持可编程渲染管线的较旧的设备，我们需要使用固定函数着色器（Fixed Function Shader）来完成渲染，这些着色器往往只完成一些简单的效果。

Shader "Tutorial/Basic" {
    Properties {
        _Color ("Main Color", Color) = (1,0.5,0.5,1)
    }
    SubShader {
        Pass {
            Material {
                Diffuse [_Color]
            }
            Lighting On
        }
    }
}

固定函数着色器的代码被定义在 Pass 语义块中，这些代码完全使用 ShaderLab 的语法来编写，而非使用 Cg/HLSL。
由于现在绝大多数 GPU 都支持可编程的渲染管线，这种固定管线的编程方式已经逐渐被抛弃。实际上，在 Unity 5.2 中，所有固定函数着色器都会在背后被 Unity 编译成对应的顶点/片元着色器，因此真正意义上的固定函数着色器已经不存在了。

选择何种 Unity Shader

如果光源数量较多，可以选择表面着色器，但需要小心它在移动平台的性能表现
如果光源数量较少，则使用顶点/片元着色器是更好的选择
最重要的是，如果你有很多自定义的渲染效果，那么请选择顶点/片元着色器
除非你有明确的要求必须使用固定函数着色器，否则不要使用它

答疑

我可以用 GLSL 来写吗

如果你坚持使用 GLSL 来写而不是 Cg/HLSL，那么你发布的平台就只有 Mac OS X、OpenGL ES 2.0 或者Linux，而对于 PC、Xbox 360 这样的仅支持 DirectX 的平台来说，你就放弃它们了。

扩展阅读

Unity Shader 官方文档：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-Reference.html
NVIDIA Cg 文档：https://developer.download.nvidia.com/cg/index_stdlib.html
NVIDIA Cg 教程：https://developer.download.nvidia.com/CgTutorial/cg_tutorial_chapter01.html