Unity Shader

渲染管线

名称	解释
Unity的内置渲染	适用于所有平台，非常可靠，容易使用。但是不可定制，也非最有效
通用渲染管线(URP)	非常适合移动、Web和VR项目，因为它针对性能进行了高度优化。配置有点复杂，但比内置渲染管道更具可定制性，可以产生不错的图形
高清渲染管线(HDRP)	旨在为具有强大处理能力的高端平台(如游戏机或游戏计算机)生成高质量图形。配置非常复杂，适合具有大量图形经验的人使用

URP和HDRP都是Scriptable Render Pipelines(SRP)。SRP是高度可定制的。

渲染流水线

应用阶段(由CPU负责)

1、场景数据加载到显存中

渲染所需数据从硬盘加载到内存中，网格纹理等数据被加载到显存中（一般加载到显存后内存中的数据就会被移除）

2、设置渲染状态

处理用于定义场景中的网格如何渲染，例如，使用哪个顶点着色器，哪个纹理等。

该阶段还会剔除不可见内容。

3、调用Draw Call

是一个命令，由CPU发起，GPU接收。该命令仅仅会指向一个需要被渲染的图元列表，而不会包含任何材质信息

应用阶段会输出渲染图元到下个阶段

几何阶段(GPU负责)

把顶点坐标变换到屏幕空间中，再交给光栅器处理

该阶段会输出屏幕空间的顶点信息到下阶段

光栅阶段(GPU负责)

使用上阶段传递的数据，产生屏幕上的像素并最终渲染出图像

GPU流水线

几何阶段和光栅化阶段中，开发者只能对某些步骤进行操作。例如：

几何阶段中：顶点着色器、曲面细分着色器、几何着色器、裁剪（仅可配置）

光栅化阶段中：片元着色器、逐片元操作（仅可配置）

整个流程为：

顶点数据->顶点着色器->曲面细分着色器->几何着色器->裁剪->屏幕映射->(后面是光栅化阶段)三角形设置->三角形遍历->片元着色器->逐片元操作->屏幕图像

顶点着色器、裁切、屏幕映射

顶点着色器，顾名思义，此处是对顶点的操作。输入的每个顶点都会调用一次顶点着色器，主要完成顶点坐标变换以及逐顶点光照，输出后续所需数据。

裁切，超出摄像机部分的裁剪掉不作渲染处理。

屏幕映射，将三维空间的数据映射到二维平面。OpenGL的原点在左下角，坐标系朝右上角延伸。DX原点在左上角，朝右下角延伸。

三角形设置、三角形遍历

顶点数据处理完以后进入到光栅化阶段。此处的内容是以三角形为基本单位，大部分处理都与三角形有关。

首先就是根据坐标点，确定一个三角形，然后根据三角形的覆盖范围，在像素上生成片元。

逐片元操作

在DX中，这个阶段叫做输出合并阶段。

在这个阶段会对每个片元的可见性进行设置，这往往需要经过深度测试、模板测试等测试来对最终结果进行确定。当确定了结果以后，就把该片元的颜色值和储存在颜色缓冲区的色彩进行合并。

shader分类

Unity中使用ShaderLab编写Shader。

shader分成三类：

类型名	英文名	说明
表面着色器	Surface Shader	表面着色器相当于封装了顶点片元着色器
顶点/片元着色器	Vertex/Fragment Shader	更底层的着色器，更灵活
固定函数着色器(已弃用)	Fixed Function Shader

基本结构

Shader "文件路径/文件名"
{
  Properties{}
  SubShader{
    Pass{}
  }
  FallBack "Diffuse"
}

Properties里声明和定义属性。变量名一般会以下划线开头。

SubShader中书写方法。可以有多个SubShader。真正意义上的Shader代码都会出现在这里。在这里还可以写表面着色器，顶点/片元着色器，固定函数着色器

FallBack后跟的是默认的shader解决方法，仅当显卡不支持SubShader中的所有方法时生效

Properties 属性

Properties是property的复数形式，但同样都表达“属性”的含义。

以下是支持的属性：

属性类型	默认值的定义语法	例子
Int	number	_Int("Int",Int) = 2
Float	number	_Float("Float",Float) = 2.8
Range(min,max)	number	_Range("Range",Range(0.0,5.0)) = 2.5
Color	(number,number,number,number)	_Color("Color",Color) = (1,1,1,1))
Vector	(number,number,number,number)	_Vector("Vector",Vector) = (2,3,6,1)
2D	"defaulttexture"{}	_2D("2D",2D) = "" {}
Cube	"defaulttexture"{}	_Cube("Cube",Cube) = "white"{}
3D	"defaulttexture"{}	_3D("3D",3D) = "black"{}

Subshader

状态

csharp

SubShader{
  // 可选的——标签
  [Tags]

  // 可选的——状态
  [RenderSetup]

  Pass{}

  // Other Passes

}

标签和状态在Pass中也可以声明，但是Pass过多会造成渲染性能下降，且有的标签是SubShader特有的。此外，在Subshader中设置的状态会应用到所有的Pass。

常见的状态设置

状态名称	设置指令	解释
Cull	Cull Back / Front / Off	设置剔除模式：剔除背面/正面/关闭剔除
ZTest	ZTest Less Greater / LEqual / GEqual / Equal / NotEqual / Always	设置深度测试时使用的函数
ZWrite	ZWrite On/ Off	开启/关闭深度写入
Blend	Blend SrcFactor DstFactor	开启并设置混合模式
LOD

用例：

csharp

SubShader{
  Tags{"RenderType" = "Opaque"}
  // 可选的——状态
  Cull off
  ZWrite off
  LOD 100

  Pass{}
}

标签类型	说明	例子
Queue	控制渲染顺序	Tags
RenderType	对着色器进行分类、替换	Tags
DisableBatching	指明是否使用Unity的批处理功能，是否进行合批	Tags
ForceNoShadowCasting	使用该SubShader的物体是否会投影	Tags
IgnoreProjector	控制物体是否受Projector的影响，通常用于透明物体	Tags
CanUseSpriteAtlas	用于Sprites的时候需设为False，通常用于UI	Tags
PreviewType	指明材质面板如何预览该材质	Tags

可以在pass里也写tag。如果外面写了，那么使用的是外面的。

Pass语义块

csharp

Pass {
  [Name]    // Name "MyPassName"
  [Tags]
  [RenderSetup]
  // Other code
}

可以使用Name使用其他Unity Shader中的Pass
UsePass "MyShader/MYPASSNAME"   // Pass名会被Unity转换为全大写

// 还有个GrabPass，负责抓取屏幕并将结果存储在一张纹理中用于后续Pass处理

Pass标签

标签类型	说明	例子
LightMode	定义该Pass在Unity的渲染流水线中的角色	Tags
RequireOptions	指定当满足某些条件时才渲染该Pass，其值为空格分隔的字符串	Tags

注意：不建议写太多pass，会影响性能

Fallback

这是一个shader的最终解决方案，即所有SubShader都失效时的方案。

Fallback中内置一个阴影Pass。如果没有写阴影相关的内容，那么，为了Shader可以正确展示，要设置合适的Fallback。

自定义材质

可以使用CustomEditor语义扩展编辑界面，还可以使用Category语义对Unity Shader中的命令进行分组。

各种着色器

表面着色器

Unity在处理表面着色器的时候，会将其转换为对应的顶点/片元着色器（所以一定程度上这两个着色器可视作同一种）。

示例：

csharp

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 = 1;
    }

    ENDCG
  }
  Fallback "Diffuse"
}

CGPROGRAM和ENDCG之间的代码是使用Cg/HLSL编写的，所以我们需要把Cg/HLSL语言嵌套在ShaderLab语言中。但这里的Cg/HLSL是Unity封装过的，有些函数未实现，且细节上有所不同。

顶点/片元着色器

示例：

csharp

Shader "Custom/Simple VertexFragment Shader" {
  SubShader {
    Pass {    // 注意代码写在Pass里
      CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag

        float4 vert(float4 v: POSITION):SV_POSITION {
          return mul (UNITY_MATRIX_MVP, v);
        }

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

写在Pass里的原因是，我们需要自己定义每个Pass，灵活控制Shader。

固定函数着色器

对于老旧设备需要使用该着色器。自Unity 5.2始，该种着色器会编译为顶点/片元着色器。

示例：

csharp

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

着色器适用场景说明

表面着色器，适用于与光源打交道（性能消耗较大）

顶点/片元着色器，适用于多自定义的渲染效果，以及光源少的场合

如果您坚持想用GLSL写着色器，可以将着色器嵌套到GLSLPROGRAM和ENDGLSL之间。当然，这也意味着只有支持GL的平台能够使用。

坐标空间(坐标系空间)

有四种坐标空间：物体，世界，摄像机，投影成像

1、物体空间：即3D物体自己的坐标空间

2、世界空间：即游戏世界空间

3、摄像机空间：即以摄像机为原点的坐标系空间

4、投影成像：即3D坐标转换到屏幕时，屏幕上的二位坐标空间

坐标系之间的转换

这部分的转换需要背诵常用的转换API

API	说明
transform.localToWorldMatrix	局部转世界的矩阵
transform.worldToLocalMatrix	世界坐标转局部坐标矩阵

可通过MultiplyPoint, MultiplyPoint3x4, MultiplyVector来进行坐标变换

Shader中也有坐标变换

以下是一些矩阵名

名	说明
UNITY_MATRIX_MV	基本变换矩阵 x 摄像机矩阵
UNITY_MATRIX_MVP	基本变换矩阵 x 摄像机矩阵 x 投影矩阵
UNITY_MATRIX_V	摄像机矩阵
UNITY_MATRIX_P	投影矩阵
UNITY_MATRIX_VP	摄像机矩阵 x 投影矩阵
UNITY_MATRIX_T_MV	(基本变换矩阵*摄像机矩阵)的转置矩阵
UNITY_MATRIX_IT_MV	(基本变换矩阵*摄像机矩阵)的逆转置矩阵
UNITY_MATRIX_TEXTURE0	纹理变化矩阵

常用语义

名	说明
POSITION	位置
TANGENT	切线
NORMAL	法线
TEXCOORD0	第一套纹理
TEXCOORD1	第二套纹理
TEXCOORD2	第三套纹理
TEXCOORD3	第四套纹理
COLOR	颜色

结构体和语义

下面是结构体的格式：

struct name{
  类型 名字;
  // 尽量不使用函数
  返回值 函数名称(参数){
    // 如果成员函数里面使用该结构体的数据成员，
    // 该数据成员一定要定义在函数前
  }
}

基本类型表达式

提供float/half/double浮点类型数值
定点数fixed高效处理某些小数
用int表示整数
bool表示逻辑类型
sampler*,纹理对象的句柄,sampler/1D/2D/3D/CUBE/RECT
内置向量数据类型：float4(float,float,float,float),长度不能超过4
内置矩阵数据类型：float1x1,float2x3,float4x3,float4x4.最多不能超过4x4
数组类型：float a[10].指10个float;float4 b[10],指10个float4
语义绑定：float4 a: POSITION,返回值也可以语义绑定

附录A：标准内置函数

函数名	解释
abs(num)	获取绝对值
cross(a,b)	向量叉积
determinant(M)	矩阵的行列式
dot(a,b)	向量点积
floor(x)	向下取整
lerp(a,b,f)	a,b两点间的线性插值
log2(x)	以2为底的x的对数
mul(m,n)	矩阵运算。可以是三种情况：矩阵x矩阵,矩阵x向量，向量x矩阵
power(x,y)	x的y次方
radians(x)	度转弧度
reflect(v,n)	v关于法线n的反射向量
round(x)	靠近取整
tex2D(sample,x)	二位纹理查找
tex3Dproj(sample,x)	投影三维纹理查找
texCUBE	立方体贴图纹理查找

如果想使用Unity自带函数，需要引入库。引入语句为：
#include "UnityCG.cginc" Unity->Edit->Data->CGIncludes;

附录B：float4 fixed4 _Time

内置向量float4(x,y,z,w)。假设有float4 a;访问单独成员a.x,a.y,a.z,a.w
内置向量fixed4(r,g,b,a)。假设有fixed4 c;访问单独成员c.r,c.g,c.b,c.a
内置向量float3(x,y,z)
内置向量fixed3(r,g,b)
内置向量float2(x,y)
_Time:自场景加载开始所经过的时间。假设为t，可获取4个分量：t/20,t,t*2,t*3
_SinTime: 时间的正弦值。假设为t，4个分量：t/8,t/4,t/2,t
_CosTime: 时间的余弦值。假设为t，4个分量：t/8,t/4,t/2,t
unity_DeltaTime: 时间增量。假设为dt, 4个分量：dt,1/dt,smoothDt,1/smoothDt。其中，smoothDt是平滑时间，防止时间间隔起伏太大。

Unity Shader ​

渲染管线 ​

渲染流水线 ​

GPU流水线 ​

顶点着色器、裁切、屏幕映射 ​

三角形设置、三角形遍历 ​

逐片元操作 ​

shader分类 ​

基本结构 ​

Properties 属性 ​

Subshader ​

状态 ​

标签 ​

Pass语义块 ​

Fallback ​

自定义材质 ​

各种着色器 ​

表面着色器 ​

顶点/片元着色器 ​

固定函数着色器 ​

着色器适用场景说明 ​

坐标空间(坐标系空间) ​

坐标系之间的转换 ​

常用语义 ​

结构体和语义 ​

基本类型表达式 ​

附录A：标准内置函数 ​

附录B：float4 fixed4 _Time ​

Unity Shader

渲染管线

渲染流水线

GPU流水线

顶点着色器、裁切、屏幕映射

三角形设置、三角形遍历

逐片元操作

shader分类

基本结构

Properties 属性

Subshader

状态

标签

Pass语义块

Fallback

自定义材质

各种着色器

表面着色器

顶点/片元着色器

固定函数着色器

着色器适用场景说明

坐标空间(坐标系空间)

坐标系之间的转换

常用语义

结构体和语义

基本类型表达式

附录A：标准内置函数

附录B：float4 fixed4 _Time