Unity Shader基础

我也是一个学习者，有错误请指出。 References： 《Unity Shader 入门精要》

Unity Shader概述

材质Material与Unity shader

Unity中，我们需要配合使用材质和unity shader，它们的关系和流程是：

首先创建Unity Shader，它定义了各种着色器（如顶点着色器、片元着色器）、属性和指令，将其赋给材质。可以在材质面板上调整Unity Shader的属性，最后将其赋给某个要渲染的对象（模型）来得到最终的效果。

Unity中的材质

创建好一个材质后，一般要结合一个GameObject的Mesh或者Particle System来工作。

从Unity 5.0版本开始，默认情况下创建的Material使用的是Unity内置的Standard Shader。这种默认行为一直持续到现在。Standard Shader提供了丰富的物理材质（PBR）功能，允许用户创建各种复杂和逼真的材质效果。

材质的Inspector界面中，这个选可以简单调整光照，并且这个界面本身有预览功能，可以按住右键移动查看效果。

Unity Shader

Unity Shader与传统的vs和fs有很大不同。

Unity中提供了5种Unity Shader模板：

1. Standard Surface Shader: 包含了一个标准光照模型的表面着色器模板
2. Unlit Shader：产生一个不包含光照（但包含雾效）的基本顶点/片元着色器
3. Image Effect Shader：实现屏幕后处理效果的模板
4. Computer Shader：特殊的shader，利用GPU的并行性计算与常规渲染管线无关的计算
5. Ray Tracing Shader：用于实现光线追踪效果的模板

材质可以选择使用的shader，这样在材质的Inspector界面可以设置shader的各种属性。

在Unity Shader的Inspector界面中，可以看到和设置很多信息，在Compiled Code选项中，可以看到该Shader针对不同图形API接口编译的代码。

ShaderLab

如果直接使用某一个图形API进行渲染，要进行很多工作，一不注意就会出错（当初我就是设置错了一个渲染状态导致我调试了2小时OpenGL）

而Unity Shader为开发者提供了一个渲染抽象层，使得开发者可以更加轻松。

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，它使用了一些嵌套在花括号内的语义来描述Unity Shader文件的结构，这些结构包含了许多渲染所需的数据，例如Properties语句块中定义了着色器所需的各种属性，这些属性会出现材质面板中。

Unity Shader的结构

之前我们提到了Unity Shader是通过Shader Lab分为了多个语义块，下面将分块介绍Unity Shader。

Properties

这个语义块包含了一系列属性，这些属性会出现在材质面板中。

代码一般为这样的形式：

Properties {
     Name ("display name", Type) = DefaultValue
     // 更多其他属性
}

Properties的属性类型：

语义块中定义的属性的作用就是为了在材质面板中显示，这样开发者可以在面板上直接调整属性的值。shader中要想使用这些变量，需要直接在shader中使用相应的Uniform变量，属性和Uniform变量的名字通常是一致的，这样系统才会正确将属性传给Uniform变量；或者通过脚本传递。

SubShader

每个Unity Shader文件可以包含多个SubShader块，至少要有一个SubShader块。当Unity加载这个Unity Shader时，Unity会扫描所有的SubShader块，然后选择第一个能够在目标平台上运行的SubShader。

这样做的原因是，不同的显卡具有不同的能力，我们希望在旧显卡上运行计算复杂度较低的着色器，在高级的显卡上运行复杂度较高的着色器。

SubShader语义块的定义如下：

SubShader{
    // 可选的
    [Tags]
    // 可选的
    [RenderSetup]
    
    Pass{
    
    }
    // 其他Pass
}

SubShader中定义了一系列的Pass以及[RenderSetup]状态和[Tags]标签。

每个Pass定义了一个完整的渲染流程，过多的Pass会导致性能的下降。标签和状态同样也可以在Pass中定义，但是SubShader的标签与Pass中使用的标签是不一样的，SubShader中的一些标签是特定的；状态两者使用的语法相同，但如果在SubShader中设置了状态，那么会用于全部的Pass

状态设置

SubShader提供了一系列的指令，这些指令用于设置显卡的各种状态。

一些常见的状态设置

就像之前提到的，SubShader中设置的状态会应用到全部的Pass，要想不同Pass使用不同的设置，需要在每个Pass中单独进行状态设置。

SubShader标签

SubShader的标签是一个键值对，键和值都是字符串。

结构如下：

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

Pass标签

Pass {
    [Name]
    [Tags]
    [RenderSetup]
    // other
}

可以在Pass中定义该Pass的名称：

Name "MyPassName"

这样，我们可以在其他Unity Shader中调用ShaderLab的UsePass命令使用Pass

UsePass "MyShader/MYPASSNAME"

Unity内部会将所有Pass的名称转换为大写字母，所以使用UsePass时要使用大写形式

Pass中的标签不同于SubShader的标签

RequireOptions现在有很多选项，例如Shadows, Directional, Point等等，使用时查阅相关文档即可。

Unity Shader中还支持一些特殊的Pass：

1. UsePass：复用其他Shader的Pass
2. GrabPass：该Pass的作用是抓取屏幕并将结果存储在一张纹理中，用于后续Pass处理

Others

Unity Shader以及ShaderLab还能实现很多功能，比如自定义材质面板等等，但不太常用。

Unity Shader的形式

上面讲解了这么多，但基本没有涉及到Unity Shader是如何处理传统的像是顶点着色器或者片元着色器。这些着色器代码可以写在SubShader语义块中（表面着色器），也可以写在Pass语义块中（顶点/片元着色器和固定函数着色器）

Shader "ShaderName" {
    Properties {
    }
    SubShader {
        // shader code
    }
    SubShader {
    }
}

Surface Shader

这是Unity自创的一种shader类型，它需要的代码量很少，这就意味着Unity在背后为它做了很多工作（一般这种需要软件背后做工作的，性能都不会太好）。它本质上还是一个vs或fs，Unity会对其进行转换。

它的意义在于处理了很多光照细节，不需要开发者自己编写。

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 = IN.color.rgb;
        }
        ENDCG
    }
}

需要注意的点有：

1. Surface Shader的代码没有定义在Pass语义块中，表面着色器不需要开发者关心Pass的问题，Unity会为我们处理好
2. CGPROGRAM与ENDCG之间的代码是使用Unity封装后的CG/HLSL编写，与原生的CG/HLSL仅有细微的不同。

Vertex/Fragment Shader

同样是使用CG/HLSL语言来编写，定义在CGPROGRAM与ENDCG，但需要写在Pass语义块内，我们需要自己定义每个Pass使用的Shader代码。

如果想要使用GLSL编写Unity shader，需要将GLSL代码嵌套在GLSLPROGRAM和ENDGLSL之间。