（二）Unity Shader基础知识（上）

 

一、Unity Shader概述

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没有Unity编辑器情况下的shader编码(伪代码)：

 

Main.cs

Void InitializationI(){

//从硬盘上加载顶点着色器代码

String vertexShaderCode =LoadShaderFromFile(VertexShader.shader);

//从硬盘上加载片元着色器代码

String fragmentShaderCode = LoadShaderFromFile(FragmentShader.shader);

//把顶点着色器加载到GPU中

LoadVertexShaderFromString(vertexShaderCode)；

//把片元着色器加载到GPU

LoadFragmentShaderFromString(fragmentShaderCode);

 

//设置名为”VertexPosition”的属性的输入，即模型顶点坐标

SetVertexShaderProerty(“VertexPosition”,vertices);

//设置名为”MainTex”的属性的输入，someTexture是某张已加载的纹理坐标

SetVertexShaderProerty（“MainTex”,someTexture）;

//设置名为”MVP”的属性的输入，MVP是之前由开发者计算好的变换矩阵

SetVertexShaderProerty(“MVP”,MVP);

 

//关闭混合

Disable(Blend);

//设置深度测试

Enable(ZTest);

SetZTestFunction(LessOrEqual);

//其他设置

...

 

}

//每一帧进行渲染

Void OnRendering(){

//调用渲染命令

DrawCall();

//当涉及多种渲染设置时，我们可能还需要在这里进行改变各种渲染设置

...

}

 

 

 

VertexShader.shader

 

//输入：顶点位置、纹理、MVP变换矩阵

In float3 VertexPosition;

In sampler2D MainTex;

In Matrix4x4 MVP;

//输出：顶点经过MVP变换后的位置

Out float4 position;

Void main(){

//使用MVP对模型顶点进行坐标进行变换

Position = MVP * vertexPosition;

}

 

 

FragmentShader.shader

//输入VertexShader输出的Position、经过光栅化程序插值后的该片元对应的Position

In float4 position;

//输出：该片元的颜色值

Out float4 fragColor;

Void main(){

//将片元颜色设为白色

fragColor = float4(1.0,1.0,1.0,1.0);

}

 

 

该伪代码已经简化，随着渲染的工程量变大，上述过程变得更加复杂和冗长，Unity Shader的出现为了改善上述情况。

 

1、材质和Unity Shader

使用Unity Shader常见流程，如下图：

 

2、Unity中的材质

创建材质的方法：

1. 第一种，在Unity菜单栏中选择Assets->Create->Material
2. 第二种，在Project视图右击->Create->Material
3. 第三种，贴图拖至游戏对象会直接生成一个材质

 

默认情况下，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。

3、Unity中的shader

创建shader的方法：

1. 在Unity的菜单栏中选择Assets->Create->shader
2. 在Project视图中右击->Create->shader

 

在Unity5.2以及以上版本中，Unity一共提供了4种Unity Shader模板来让我们选择：

1. Standard Surface Shader
2. Unlit Shader
3. Image Effect Shader
4. Compute Shader 

• Standard Surface Shader

包含了一个标准光照模型的表面着色器模板。

• Unlit Shader

产生一个不会包含光照的基本的顶点/片元着色器。

• Image Effect Shader

为我们实现各种屏幕后处理效果提供了一个基本模板。

• Compute Shader

产生一种特殊的Shader文件，这类shader旨在利用GPU的并行性来进行一些与常规渲染流水线无关的计算。

以表面着色器为例：

• 红色区域：单击Show generated code生成一个新文件，该文件将显示Unity在背后为该表面着色器生成的顶点/片元着色器。可以方便我们对生成的代码进行研究。
• 紫色区域：用来查看该固定函数着色器生成的顶点/片元着色器。
• 绿色区域：Compiled and show code可以让开发者检查该Unity Shader针对不同图像编程接口（例如OpenGL、D3D9、D3D11）最总编译成shader代码。

二、Unity Shader的基础：shaderLab

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一、什么是shaderLab？

 

Unity Shader是Unity为开发者提高的高级层的渲染抽象层。和这层抽象层打交道的途径就是通过使用Unity提供的一种专门为Unity Shader服务的语言——ShaderLab。

 

在Unity中，所有Unity Shader都是使用ShaderLab来编写。ShaderLab是Unity提供的编写UnityShader的一种说明性语言。它使用了一些嵌套在花括号内部的语义（syntax）来描述一个UnityShader文件的结构。这些结构包含了许多渲染所需的数据。他们都定义了要显示一个材质所需的所有东西，而不仅仅是着色器代码。

 

一个UnityShader的基础结构如下所示：

 

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在背后会根据适用平台把这些结构编译成真正的代码和shader文件，而开发者只需要和ShaderLab打交道即可。

 

二、Unity Shader的结构

1、Unity Shader的命名

每个Unity Shader文件的第一行都需要通过Shader语义来指定Unity Shader的名字。这个名字通过字符串来定义，这个名称会显示在材质列表里。例如：

Shader “Custom/MyShader”{}

 

2、材质和Unity Shader的桥梁：Properties

Properties语义块包含了一系列属性（Property），这些属性将会出现在材质面板。格式如下：

Properties{

    Name（“Display Name”,PropertyType）=DefaultValue;

    Name（“Display Name”,PropertyType）=DefaultValue;

    //更多属性

}

 

属性名字Name：shader中访问的变量，在Unity中通常由一个_下划线开始。

显示名称Display name：出现在材质面板上的名字。

属性类型PropertyType：一些常见的属性的类型。

属性类型DefaultValue：属性的默认值。

 

Int、Float、Range这些数字类型的属性，其默认值就是一个单独的数字。

Color和Vector这类属性，其默认值是一个四维向量。

2D、Cube、3D这三种纹理型，默认值是通过一个字符串后面跟一个花括号来指定，字符串要么为空，要么是内置的纹理名称。如“white”，“black”“gray”或者“bump”。{}内原本用于指定一些纹理属性，通过TexGenCubeReflect、TexGenCubeNormal等选项，控制固定管线的纹理坐标生成。Unity5.0以后的版本{}中选项移除，需自己在顶点着色器中编写计算相应纹理坐标。

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。在Properties语义块中声明这些属性，也可以直接在Cg代码片段中定义变量。我们也通过脚本向shader中传递这些属性，Proper

3、重量级成员：SubShader

 

Unity加载这个UnityShader时，会扫描所有的SubShader语义块，然后选择第一个可以在目标平台上运行的SubShader。如果都不支持使用Fallback语义指定的UnityShader。

 

SubShader{

//可选的标签
[Tags]

//可选的状态
[RenderSetup]

//定义一次完整的的渲染流程，Pass过多导致渲染性能下降
Pass{
//可以在Pass内声明状态和标签
}

//Other Passes

}

 

[RenderSetup]状态设置

常见的渲染设置状态设置选项，这些指令可以设置显卡的各种状态。

当在SubShader块中设置了上述渲染状态，将会应用到所有Pass。

 

[Tags]标签

 

SubShader的标签（Tags）是一个键值对（Key/Value Pair）,它的键和值都是字符串类型。这些键值对是SubShader和渲染引擎之间的沟通桥梁。它告诉Unity如何渲染。

Tags标签的结构如下：

Tags{“TagName” = “Value” “TagName2” = “Value2”}

[Pass]语义块

 

Pass{

[Name]//定义该Pass名称
 
[Tags]//除SubShader中的标签可以用在这里外，还可以使用固定管线着色器
 
[RenderSetup]

//other code

}

Pass标签中使用的标签类型：

 

 Unity内部会把所有Pass的名称转换成大写字母表示，在使用UsePass命令时必须使用大写形式的名字。

 

[其他特殊的Pass]

UsePass:可以使用UsePass命令，使用其他Unity Shader中的Pass。在使用UsePass命令时必须使用大写名字，例如：MyShader/MYPASSNAME

GrabPass：该Pass负责抓取屏幕并将结果存储在一张纹理中，以用来后续的Pass处理。

 

4、留一条后路：Fallback

紧跟所有SubShader语义块后面，可以是Fallback指令，它用于告诉Unity如果上面所有的SubShader在显卡上都不能运行，就使用最低级的Shader。

Fallback“最低级Shader名称”
//或者
Fallback Off //关闭Fallback

Fallback会影响阴影的投射，在渲染阴影纹理时，Unity会在每个UnityShader中寻找一个阴影投射的Pass。通常我们不需要自己去实现这个，内置shader包含了这个东西。