Shader入门：Shader结构简介

2024-08-21 本文已影响0人 IT前沿技术分享

Unity Shader 文件的结构由多个部分组成，每个部分负责不同的渲染和控制任务。

完整结构

下面是 Unity Shader 文件的一般结构

Shader "MyShader/CustomShader"
{
    // 1. Properties - 定义可在 Inspector 中调节的属性
    Properties
    {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}  // 纹理属性
        _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1)  // 颜色属性
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5  // 数值属性
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0  // 数值属性
    }

    // 2. SubShader - 定义渲染逻辑
    SubShader
    {
        // 2.1 Tags - 渲染标签
        Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry" }

        // 2.2 Pass - 渲染阶段
        Pass
        {
            // 渲染状态设置
            Cull Off
            ZWrite On
            ZTest LEqual
            Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

            // 2.3 CGPROGRAM - 着色器代码块
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            // 2.4 Uniforms - 定义着色器中的全局变量
            sampler2D _MainTex;
            fixed4 _Color;
            half _Glossiness;
            half _Metallic;

            // 2.5 Input Structure - 输入结构体
            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            // 2.6 Output Structure - 输出结构体
            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            // 2.7 Vertex Shader - 顶点着色器
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            // 2.8 Fragment Shader - 片段着色器
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return texColor * _Color;
            }
            ENDCG
        }
    }

    // 3. Fallback - 备用 Shader
    Fallback "Diffuse"

    // 4. CustomEditor - 自定义编辑器（可选）
    CustomEditor "MyShaderEditor"
}

结构各个部分解析

1. Shader 声明

Shader "ShaderName"

Shader Name: 定义 Shader 的名称，通常采用 "Category/ShaderName" 的格式来组织和分类。

2. Properties

Properties
{
    _MainTex ("Base (RGB), Alpha (A)", 2D) = "white" {}
    _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1)
}

Properties: 定义了可以在 Unity Inspector 面板中调整的参数。这些参数可以是纹理（2D）、颜色（Color）、数值（Float）、向量（Vector）等。
- _MainTex: 纹理属性，通常用来存储颜色贴图。
- _Color: 颜色属性，用于定义材质的颜色。

3. SubShader

SubShader
{
    Tags { "RenderType"="Opaque" }
    Pass
    {
        CGPROGRAM
        // Shader code here
        ENDCG
    }
}

SubShader: 定义了 Shader 的主要渲染逻辑。一个 Shader 可以包含多个 SubShader，用来处理不同的渲染路径（如高端设备和低端设备的不同渲染）。
- Tags: 定义渲染标签，用来指定 Shader 的渲染类型、渲染队列等。例如 RenderType 和 Queue 标签。
- Pass: 定义渲染阶段。每个 Pass 对应一次渲染操作。
  - CGPROGRAM ... ENDCG: 定义 HLSL 或 GLSL 代码块，其中包含了顶点和片段着色器代码。

4. Pass

Pass
{
    Name "ForwardBase"
    Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
    Cull Back
    ZWrite On
    ZTest LEqual
    Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
    
    CGPROGRAM
     // Shader code here
    ENDCG
}

Name: Pass 的名称，可以用来指定具体的渲染阶段，如 ForwardBase 或 ShadowCaster。
Tags: 定义与 Pass 相关的标签，例如 LightMode 来指定该 Pass 用于前向渲染、阴影渲染等。
Cull: 定义背面剔除模式（Back、Front 或 Off）。
ZWrite: 控制深度写入（On 或 Off）。
ZTest: 控制深度测试方式（Less、LEqual、Greater 等）。
Blend: 定义混合模式，用于控制透明度和颜色混合。

5. CGPROGRAM / ENDCG

CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
// Shader code here
ENDCG

CGPROGRAM ... ENDCG: 包裹 Cg/HLSL 代码块，表示在这个范围内定义了着色器程序。
#pragma vertex vert: 指定顶点着色器函数（vert）。
#pragma fragment frag: 指定片段着色器函数（frag）。
#include "UnityCG.cginc": 引入 Unity 提供的常用工具函数和结构体定义。

6. 顶点着色器

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = v.uv;
    return o;
}

顶点着色器（vertex shader）: 用于处理顶点数据，将顶点从对象空间转换到裁剪空间。返回的结构体通常包含屏幕空间位置和其他需要传递给片段着色器的数据。

7. 片段着色器

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    return tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;
}

片段着色器（fragment shader）: 用于计算像素颜色，通常是对纹理进行采样并进行颜色混合等操作。

8. Fallback 和 CustomEditor

Fallback "Diffuse"
CustomEditor "MyShaderEditor"

Fallback: 定义在当前硬件或渲染路径不支持时使用的备选 Shader。
CustomEditor: 定义自定义材质编辑器，用于在 Unity Inspector 中以自定义的方式编辑材质属性。

9. Include Files

#include "UnityCG.cginc"

Include: 包含外部的 Shader 文件或库，提供常用函数、宏定义等。

10. SubShader 切换条件

SubShader
{
    Tags { "RenderPipeline" = "UniversalRenderPipeline" }
    ...
}

RenderPipeline Tag: 在使用通用渲染管线（URP）或高清渲染管线（HDRP）时，确保 Shader 仅在特定渲染管线下使用。

11. Multiple SubShaders

SubShader { ... }
SubShader { ... }

Multiple SubShaders: 在不同的 SubShaders 中可以提供不同的实现，以支持各种硬件和渲染路径。Unity 会根据设备能力选择最合适的 SubShader。

12. 优化和调试

Optimization: 使用 Unity 提供的工具（如 Shader Variant Collection）优化 Shader 性能。
Debugging: 使用 Frame Debugger 调试 Shader 行为，查看每个 Pass 的渲染结果。

结语

了解Shader结构帮助你更好地理解 Unity Shader 的工作原理，并可以在实际项目中灵活运用和调整 Shader 代码。