Unity ShaderLab基础

[原文1] [参考2]

一 基础知识

1. 1 着色器语言分类:

1.2 Mesh,材质,着色器与模型的关系

模型比作兔子,Mesh就是兔子的骨骼,顶点就是骨骼的各个节点,片元就是顶点组成的面,材质就是皮肉装饰片元的,Shader就是控制如何显示材质的

1.3 关于顶点,片元着色器

顶点着色器和片元着色器都有自己独立的硬件处理单元。该硬件处理单元拥有非常强大的并行运算能力，非常擅长矩阵计算，片元处理器还可以告诉查询纹理信息,顶点着色器负责定位像素位置/片元着色器负责修改像素颜色

顶点着色程序与片元着色程序通常是同时存在，相互配合，前者的输出作为后者的输入。不过，也可以只有顶点着色程序。如果只有顶点着色程序，那么只对输入的顶点进行操作，而顶点内部的点则按照硬件默认的方式自动插值。

例如，输入一个三角面片，顶点着色程序对其进行phong光照(实图形学中提出的第一个有影响的光照明模型)计算，只计算三个顶点的光照颜色，而三角面片内部点的颜色按照硬件默认的算法(Gourand明暗处理或者快速phong明暗处理）进行插值，如果图形硬件比较先进，默认的处理算法较好（快速phong明暗处理），则效果也会较好；如果图形硬件使用Gourand明暗处理算法，则会出现马赫带效应（条带化）。

而片元着色程序是对每个片元进行独立的颜色计算，并且算法由自己编写，不但可控性好，而且可以达到更好的效果。

由于GPU对数据进行并行处理，所以每个数据都会执行一次shader程序程序。即，每个顶点数据都会执行一次顶点程序；每个片元都会执行一次片段程序。

片元就是所有三维顶点在光栅化之后的数据集合，这些数据没有经过深度值比较，而屏幕显示的像素是经过深度比较的

1.4 顶点着色器、片元着色器与表面着色器的关系

顶点着色器负责顶点坐标变换，片元着色器负责像素的颜色计算。顶点着色器计算好坐标信息后传入片元着色器计算颜色。所以顶点着色器和片元着色器是合作关系。
表面着色器是封装了顶点和片元着色器的新api。与他们属于上下层关系。
shader编译时会将表面渲染代码编译成多个pass代码块，再分解成顶点/片元着色器。

1.5 区别

1. 顶点着色器用于处理顶点。片段元色器用于处理面。
2. 表面着色器是对顶点着色器与片元着色器的进一步封装。即是说，表面着色器有一套即成的处理办法，不用去搞那些细节。
3. 顶点着色器和片元着色器更接近底层，可以处理一些细节问题。

1.6 着色器的工作流程

二 基础知识

2.1 基本结构

Shader "path/name" {Properties{//_CG变量名 ("unity可见的变量名", 属性类型) = 值_Color ("My Color", Color) = (1, 1, 1, .5) } Subshader{}}

结构说明

• path/name: Unity编辑器检索位置和Shader名,Shader名和文件名尽量保持一致
• Properties: Shader属性，用于cg变量与Unity通信
• Subshader：shader解决方案。每个Shader程序包含至少一个Subshader，用于解决硬件性能兼容问题。Shader的主代码部分都写在这里

2.2 Properties

• 结构: _CG变量名(“Unity可见描述”, 属性类型) = 值
• 例: _LineColor(“Line Color”, Color) = (1,1,1,0.5)
• 属性列表
  项目 | Value

2.3 SubShader

SubShader { Tags { "RenderType" = "Opaque" "ForceNoShadowCasting" = "True" "IgnoreProjector" = "True"}LOD 100Pass{Fog{Mode OFF}//固定渲染器Material{Diffuse[_Color]  //设置漫反射}Lighting OnSeparateSpecular On   //启用高光颜色//设置纹理SetTexture[_MainTex]//表面渲染器#pragma surface surf Lambert//顶点渲染器#pragma vertexvert//片段渲染器#pragma fragment frag}Pass{}
}

2.3.1 Tags

2.3.2 Queue的说明

这些预定义的值本质上是一组定义整数，在我们实际设置Queue值时，不仅能使用上面的几个预定义值，我们也可以指定自己的Queue值，写成类似这样：“Queue”=“Transparent+100”，表示一个在Transparent之后100的Queue上进行调用。通过调整Queue值，我们可以确保某些物体一定在另一些物体之前或者之后渲染，这个技巧有时候很有用处。(比如遮挡描边效果，应该就是这么来的)

2.3.3 LOD

细节等级。大家玩吃鸡的时候，从飞机上跳下，这时看到地图上的建筑都是比较粗糙的块，当距离慢慢拉近，建筑模型变得越发精致，这就是LOD技术，根据不同的范围使用不同的模型。shader的LOD也是同样用法，不同细节等级，使用不同的LOD。在Unity的Quality Settings中可以设定最大LOD值，当当前LOD小于shader LOD时，那个sub shader就会失效.

2.3.4 pass

pass是实现着色器具体代码的地方。一个subshader内可以有多个pass。但尽可能用较少的pass实现是对性能的考虑。

2.3.4.1 pass内的tags说明

pass内的tags有别与subshader中的tags

2.3.4.2 pass内的代码

2.3.4.3 pass内的pragma

pragma用于对渲染器的控制。参数表

2.3.5 着色器中的参数

从应用阶段传递模型数据给顶点着色器时 常用的语义

2.3.6 从顶点着色器传递给片元着色器时 常用的语义

2.3.7 片元着色器输出给unity时常用的语义

2.3.8 unity 内置的矩阵变换

2.4 Shader函数及变量

2.4.1 unity 顶点转换函数

2.4.2 辅助函数

2.4.3 unity 内置的摄像机和屏幕参数

2.4.4 时间变量

2.4.5 光照相关参数

前向渲染（ForwardBase 和 ForwardAdd 通道类型）：

延迟着色和延迟光照，在光照通道着色器中使用（全部在 UnityDeferredLibrary.cginc 中声明）：

2.4.6 与颜色空间相关

2.4.7 数学常数

#ifndef UNITY_CG_INCLUDED#define UNITY_CG_INCLUDED#define UNITY_PI 3.14159265359f //圆周率#define UNITY_TWO_PI 6.28318530718f //2倍圆周率#define UNITY_FOUR_PI 12.56637061436f //4倍圆周率#define UNITY_INV_PI 0.31830988618f //圆周率的倒数#define UNITY_INV_TWO_PI 0.15915494309f //2倍圆周率的倒数#define UNITY_INV_FOUR_PI 0.07957747155f //4倍圆周率的倒数#define UNITY_HALF_PI 1.57079632679f //半圆周率#define UNITY_INV_HALF_PI 0.636619772367f //半圆周率的倒数

2.5 UnityCG.cginc 库

UnityCG.cginc 该文件中包含了很多即成的参数方法。使用十分方便

CGPROGRAM
#include "UnityCG.cginc"
ENDCG

2.5.1 unitycg.cginc 常用结构

2.5.2 unitycg.cginc 常用函数

2.5.3 屏幕空间相关函数

2.5.4 shader数学函数：

三 着色器实例

3.1 固定渲染管线

固定功能管线着色器的关键代码都在Pass的材质设置Material{}和纹理设置SetTexture{}部分。
目前固定着色器已经逐渐退出市场，只在为兼容一些老旧硬件设备而存在。

Shader "Custom/VertexList"{Properties{//设置与Unity通信的变量,用来通过Unity编辑器获取素材资源和参数_Color("Main Color", Color) = (0,1,1,0.5)_SpecColor("Space Color", Color) = (1,1,1,1)_Emission("Emission Color", Color) = (0,0,0,0)_Shininess("Shininess", Range(0.01, 1)) = 0.7_MainTex("Base (RGB)", 2D) = "white"{}}//PropertiesSubShader{Pass{Material{Diffuse[_Color] //设置漫反射Ambient[_Color] //环境光Shininess[_Shininess]  //设置光泽度Specular[_SpecColor]  //设置高光Emission[_Emission]   //自发光}//MaterialLighting OnSeparateSpecular On //启用高光SetTexture[_MainTex]{constantColor[_Color]  //设置颜色常量//混合命令combine texture * primary DOUBLE,texture *constant}//SetTexture[_MainTex]}//Pass}//SubShader
}//

3.2 定点/片元着色器

功能强大,用途广
顶点/片段渲染管线 卸载pass块中，用CGPROGRAM 标签包裹。

Shader "Custom/ChestVertex"
{Properties {_MainTex("Texture", 2D) = "white"{}_ScreenFix("ScreenFix", Range(0.01, 0.5)) = 0.25}SubShader {pass {CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma target 3.0//该结构没有SV_POSITIONstruct v2f{float2 uv : TEXCOORD;};sampler2D _MainTex;float _ScreenFix;v2f vert(float4 vertex : POSITION,//顶点位置输入float2 uv : TEXCOORD,//纹理坐标输入out float4 outpos: SV_POSITION)//裁切空间位置输出{v2f o;o.uv = uv;outpos = UnityObjectToClipPos(vertex);return o;}//vert// UNITY_VPOS_TYPE:在不同平台,屏幕空间位置输入的基础类型会有所不同 // 获取可移植性(多数平台为float4, Direct3D 9上float2)// VPOS是在着色器模型 3.0 开始存在,指定版本: #pragma target 3.0fixed4 frag(v2f i, UNITY_VPOS_TYPE screenPos : VPOS): SV_Target{// screenPos.xy 包含像素实现渲染 8*8 的像素块棋盘图案// 棋盘图案中 8*8 像素块的 checker 值为负screenPos.xy = floor(screenPos.xy * _ScreenFix) * 0.5;float checher = -frac(screenPos.r + screenPos.g);// 如果为负数,则使用Clip HLSL指令停止渲染像素clip(checher);// 对于保留的像素,读取纹理并将其输出fixed4 c = tex2D(_MainTex, i.uv);return c;} //fragENDCG}//pass}//SubShader
}

3.3 表面渲染管线

在Unity中，表面着色器的关键代码用Cg/HLSL语言编写，然后嵌在ShaderLab的结构代码中使用。使用表面着色器，用户仅需要编写最关键的表面函数，其余周边代码将由Unity自动生成，包括适配各种光源类型、渲染实时阴影以及集成到前向/延迟渲染管线中等。
光照模型可以是内置的Lambert和BlinnPhong，或者是自定义的光照模型。
表面函数的作用是接收输入的UV或者附加数据，然后进行处理，最后将结构填充到输出结构体SurfaceOutPut中。

3.3.1 表面着色器的输入参数表

3.3.2 表面着色器的输出参数表

struct SurfaceOutput{half3 Albedo;//反射光half3 Normal;//法线half3 Emission;//自发光half Specular;//高光half Gloss;//光泽度half Alpha;//透明度
};

3.3.2 实例

Shader "Custom/surfShader"
{Properties{_Color("Main Color",Color) = (1,1,1,1)_MainTex("Base",2D) = "white"{}_BumpMap("Normalmap",2D) = "bump"{}}SubShader{//当系统渲染不透明物体时 调用该shaderTags{"RenderType" = "Opaque"}LOD 300//表面着色器代码块  不放在pass中，编译后会分放至各个pass中CGPROGRAM//定义着色器类型为surface（表面着色器），并使用光照模型Lambert#pragma surface surf Lambert //编译指令#pragma target 3.0 //制定着色器版本sampler2D _MainTex;sampler2D _BumpMap;fixed4 _Color;//定义输入数据的结构体struct Input{float2 uv_MainTex;float2 uv_BumpMap;};//定义输出数据的结构体//struct SurfaceOutput{//		    half3 Albedo;//反射光//		    half3 Normal;//法线//		    half3 Emission;//自发光//		    half Specular;//高光//		    half Gloss;//光泽度//		    half Alpha;//透明度//    };void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o){fixed4 tex = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex);o.Albedo = tex.rgb * _Color.rgb;o.Alpha = tex.a * _Color.a;o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,IN.uv_BumpMap));}ENDCG}Fallback "Diffuse"//备选着色器
}

3.4 着色器效果集

Shader "Custom//UnlitShader"
{Properties{//定义与unity通信的变量名_MainColor("Main Color", Color) = (0.5,0.5,0.5,1)_OutlineColor("Outline Color",Color) = (0,0,0,1)   //轮廓颜色_Outline("Outline width",Range(0.0,10)) = 0.005    //轮廓线宽度}SubShader{Tags { "RenderType"="Transparent" }LOD 100//固定管线渲染器。背面剔除,并在深度缓冲区中留下背面剔除的深度值Pass{Name "BASE"//剔除背面Cull Back//保存缓冲区Blend Zero OneSetTexture[_OutlineColor]{ConstantColor(1,0,0,0)Combine constant}}//顶点/片段着色器。正面剔除,那些经过法线伸展后的点会因为与深度剔除的缓存值比较后无法通过而被剔除//也就是说仅仅剩下正面与背面的边缘处因为伸展的原因保留了下来,  于是轮廓就出现了,这就是大体过程了Pass{Name"OUTLINE"Tags{"LightMode" = "Always"}Cull FrontBlend One OneMinusDstColor//顶点片元着色器代码CGPROGRAM#pragma vertex vert #pragma fragment frag //引入unitycg库#include "UnityCG.cginc"//定义从应用到顶点着色器的数据，此处用于获取顶点位置信息和法线信息struct appdata{float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};//定义顶点着色器输出给片元着色器的数据，此处输出片元位置，及颜色struct v2f{float4 pos :POSITION;float4 color : COLOR;};uniform float _Outline;uniform float4 _OutlineColor;//顶点着色器程序块v2f vert(appdata v){v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);float3 norm = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV,v.normal);float2 offset = TransformViewToProjection(norm.xy);o.pos.xy += offset * o.pos.z* _Outline;o.color = _OutlineColor;return o;}//片段着色器代码块half4 frag(v2f i) :COLOR{return i.color;}ENDCG}}
}

3.5 三大测试与剔除、透明混合

1. 深度测试
2. 透明度测试
3. 模板测试
   重点：三大测试与剔除都是决定是否显示像素条件！混合是指有透明物体的情况下像素该如何叠加显示
   深度测试依据物体在镜头前的空间位置排序。
   透明测试依据颜色透明度，也就是alpha值。
   模版测试依据自定义的值，当同样带有模版值的元素叠加时触发
   剔除与三种测试渲染顺序按先后排列。

3.5.1 AlphaTest 透明测试

实例1: 表面着色器

//只要声明 alphatest greater [_alphaValue] 即可。
Properties {_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}_alphaValue("alphavalue",range(0,1))=0.3}SubShader {Pass{alphatest greater [_alphaValue]CGPROGRAM...............ENDCG}}

实例2: 片元着色器

fixed4 frag(v2f i):SV_Target{fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);clip(texColor.a - _Cutoff);//等同于//if((texColor.a - _Cutoff)<0.0){//	discard;//}
}

3.5.2 Blend 透明度混合

混合命令:

混合因子:

混合操作 BlendOp:

3.5.3 StencilTest 模板测试

模板测试，每个像素都有一个stencil值，在同一个像素上，所有shader的stencil都共享这一个值，当有其他带有遮罩像素与其重合时就能获取到该值，并根据自身的stencil值处理。典型的应用就是遮罩显示。你可以选择每次重合都增加1，然后再指定某个物体，当值达到某个数量级再显示。这样的场景，比如，有个隐身的怪物，你只有使用圣水喷雾才能让他现行，但必须喷3次才行，这样，空中就存在了3次叠加的雾，透过这个3层雾就能看到怪物了。但你偏一下角度，透过两层雾就看不到。
Stencil完整语法:

stencil{//Ref referenceValue 每个像素都有一个stencil值，在同一个像素上，//所有shader的stencil都共享这一个值，//当有其他带有遮罩像素与其重合时就能获取到该值，并根据自身的stencil值处理触发小狗Ref referenceValueReadMask  readMask  //读遮罩WriteMask writeMask  //写遮罩Comp comparisonFunction   //条件判断  大于小于等触发Pass stencilOperation    //满足条件后，相应的处理办法   是替换值还是增长值等Fail stencilOperation    //没有通过模板测试怎么办ZFail stencilOperation    //通过了模板测试怎么办
}

模板语法:

模板对比:

模板操作

实例1: 遮罩物体使用

Shader "Custom/MaskShader" {SubShader{Tags { "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry-1"}CGINCLUDEstruct appdata {float4 vertex : POSITION;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;};v2f vert(appdata v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);//剔除return o;}half4 frag(v2f i) : SV_Target {return half4(1,1,0,1);}ENDCGPass {ColorMask 0ZWrite OffStencil{Ref 1Comp AlwaysPass Replace}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment fragENDCG}}
}

实例2: 被遮罩物体使用

Shader "Custom/MaskedShader" {Properties{_MainTex("Base (RGB)", 2D) = "white" {}}SubShader{Tags { "Queue" = "Geometry" "RenderType" = "Opaque" }LOD 100Pass {Stencil{Ref 2Comp Equal}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_fog#include "UnityCG.cginc"struct appdata_t {float4 vertex : POSITION;float2 texcoord : TEXCOORD0;};struct v2f {float4 vertex : SV_POSITION;half2 texcoord : TEXCOORD0;UNITY_FOG_COORDS(1)};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;v2f vert(appdata_t v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.texcoord = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.texcoord);UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);UNITY_OPAQUE_ALPHA(col.a);return col;}ENDCG}}
}

3.5.4 DepthTest 深度测试

Cull Back | Front | Off

ZWrite On | Off：用于控制是否将对象的像素写入深度缓冲（默认开启），如果需要绘制纯色物体，便将此项打开。如需绘制半透明效果，则关闭深度缓冲。
开启深度写入：当两个像素重合时，根据深度缓冲中的值对比，剔除掉离相机较远的那个，留下最近的那个显示。
关闭深度写入：不剔除任何像素，按顺序覆盖像素。（半透明物体需要这个）

ZTest Less | Greater | LEqual | GEqual | Equal | NotEqual | Always
用于控制深度测试如何执行, 缺省值是LEqual。如果要绘制的像素的Z值 小余等于深度缓冲区中的值，那么就用新的像素颜色值替换。

Offset Factor,Units
利用Factor和Units来定义深度偏移
Factor参数表示Z缩放的最大斜率的值
Units参数表示可分辨的最小深度缓冲区的值
利用该句法，我们就可以强制使位于同一位置上的两个集合体中的一个几何体绘制在另一个的上层
以上几个值可以行内写。

	//顶点着色器正文v2f vert(a2v v) {v2f o;//获取顶点的裁剪坐标,将模型顶点坐标转换为裁剪坐标o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);//获取纹理坐标,贴图与顶点对应的uv,必须配合下面的TRANSFER_SHADOW(o)o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);//顶点法线 * 世界转模型法线  获取世界法线o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);//获取世界顶点o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;TRANSFER_SHADOW(o);return o;}		ColorMask 0   //屏蔽所有颜色fiexed4 frag(v2f i):color{//纹理寻址fixed4 colo = tex2D(_MainTex, i.texcoord)；//给贴图上色colo = _Color * col；}		

3.6 Cull剔除

四 参考

1. 原文
2. 着色器(Shader)
3. Shader开发之三大着色器
4. HLSL GLSL CG着色语言比较
5. Unity ShaderLab学习
6. ShaderLab基础(Pass定义)
7. 神临的 Unity shader 学习之多Pass渲染 (八)
8. Unity Shader （一）ShaderLab 语法
9. Unity3D–Stencil Test模板测试
10. https://github.com/QianMo/Awesome-Unity-Shader
11. UnityShader3 效果
12. Shader2D: 一些2D效果的Shader实现
13. Unity Shader入门精讲