Unity ShaderLab整理

2021-02-06 本文已影响0人爱吃鱼的鸡米

预备知识

模型文件存储结构（包含了顶点位置以及面的组成信息）

模型文件

渲染过程

渲染管线的知识，很有必要去冯乐乐的书里看一下，在第9页（ 2.3 GPU 流水线）

渲染流水线

不同的渲染管线会有不同的差异，但是大体还是类似，要经过以上的一些步骤。
流水线中，我简化了重点去理解：

首先CPU把顶点数据传递给Shader的顶点着色器（在Unity中就是通过Mesh Renderer组件），开始一次DrawCall。
GPU在几何阶段把三维的坐标通过自己定义的顶点函数，按照给定的规则映射到二维的屏幕坐标中。
于是屏幕上就出现了很多个点，但是还没有连成闭合的区域，所以在三角形遍历的时候，就是通过插值的方式在各个点包围的三角形内部填充其他点的信息。
片元着色器把三角形中的每个点给拿过来，通过自定义的规则，为每个像素填充颜色。
填完颜色后，放入缓存，等待后续的测试，例如混合测试。（比如透明物体背后还有一个物体，那么两个物体的颜色怎么混合）。
最后输出屏幕。

可以用以下简化的图来表示，其中Vertex Processor和Pixel Processor中间还有重要的插值的一步，因为顶点的个数是远少于像素的个数的，那么这个输入输出该怎么对应？
如果像素有多少个，至少顶点也要有多少个吧，所以多余的顶点的信息（包括位置，顶点法线，颜色等等）就是通过原本的顶点插值计算出来的。

渲染过程简化

Shader是图形可编程方案的程序片段
渲染管线是一种计算机从数据到最终图形程序的形象描述
材质是商品，Shader是方法，贴图是材料
图形语言包括：
OpenGL的GLSL
DirectX的HLSL
NVIDIA的CG
等
GPU采用并行计算，因此在顶点处理程序中，所有顶点信息可以同时计算，并且耗费相同时间。
渲染管线最终认识的还是Vertex Shader和Fragment Shader，Unity发明的Surface Shader只是对这两种Shader的包装。
在Vertex Shader中，包含顶点坐标转换，顶点色、顶点法线的计算等工作，例如把模型文件中的点的信息转换成屏幕上的坐标信息等。
渲染的过程中，一些Unity的全局光照设置、主摄像机等等信息都会作为全局变量，供Shader的使用。
每一个像素格都会根据顶点着色器Fragment Shader中的方法计算出结果

ShaderLab 的基本结构

ShaderLab语言是对HLSL、CG等语言的封装。更准确的说，HLSL、CG等语言是以内嵌的方式存在于ShaderLab语言中的。所以当遇到内嵌的代码段的时候，其中的语法和其外面包裹着的ShaderLab的语法是不一样的。

shader "name"{
    [Properties]
    SubShaders
    [Fallback]
}

ShaderLab

以下的规则仅仅指ShaderLab的语法，不代表其中内嵌的CG、HLSL的语法。

ShaderLab中不区分大小写
ShaderLab中不需要分号
ShaderLab中必须至少要有一个SubShader
由于硬件不同，因此可以有多个SubShader，如果第一个SubShader不支持该硬件，那么就会顺序执行第二个SubShader
如果所有的SubShader都不能执行，那么在Fallback中就会执行最后处理，通常在这里的处理用的都是Unity内建的一些通用的基础Shader

Unity内置基础Shader举例

先从连连开ShaderForge开始

这里的连连看插件用的是Shader Forge，但是现在已经不更新了，最后更新是在2018的版本中，但是也可以用。
Shader Forge最后生成的Shader代码没有Shader Graph那么多，稍微方便一点，所以先用这个。

用ShaderForge实现兰伯特光照

兰伯特光照是最基础的漫反射模型，其效果如下

Lambert光照模型
在兰伯特光照中，很明显，朝向光的点最亮(灰度为1)，背向光的点最暗(灰度为0)，中间则介于0~1之间。
通过光的反方向lDir和某个点的朝向(该点法向量)nDir的接近程度，就可以得知该点是否面朝光。
刚好，数学上的点乘Dot刚好可以用于表示两个向量方向的接近程度，数值越大，两者方向越接近。(两个向量前提都经过了归一化处理)
点乘的定义是：a·b = |a||b|cosθ
当某点面朝光时，θ = 0，那么cosθ = 1。最后点乘结果也是等于1。
对模型上的每个点都进行一次 灰度值 = a·b 的运算，就可以得到整个模型经过漫反射之后的外观。

通过上面的描述，我们首先需要获取两个重要的量，一个是全局光照的方向IDir，一个是几何体上的某点的法向量nDir。打开ShaderForge，空白处右键：

光向量数据

法向量数据

这两个数据一个在Lighting下，是全局的，一个在Geometry Data下。

ShaderForge节点

对它们进行点乘，点乘节点位于向量运算Vector Operations里。

点乘

连接节点

点击左上角Compile Shader就可以将ShaderForge中的连接编译成shader代码。

选中创建的shader右键create->material，创建材质。

创建材质

将材质赋予游戏物体，得到最后效果。

最终样貌

Fixed Function Shader( 了解 )

参考文章：
https://blog.csdn.net/weixin_30699831/article/details/95653586

固定命令的Shader，可以在所有硬件平台上运行，但是功能有限。

固定渲染管线中，主要包含以下代码块：

image.png

Shader "Custom/s01"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _Ambient("Ambient",Color) = (0.3,0.3,0.3,0.3)
        _Specular("Specular",Color) = (1,1,1,1)
        _Shininess("Shininess",Float) = 0.3
        _Emission("Emission",Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Material{
                Diffuse[_Color]
                Ambient[_Ambient]
                Specular[_Specular]
                Shininess[_Shininess]
                Emission[_Emission]
            }
            Lighting on
            SeparateSpecular on
        }
    }
}

CG语法

写在CGPROGRAM和ENDCG包裹的片段中，但是这两个关键字是ShaderLab的语法，不是CG的语法。
CG语言区分大小写
通过#pragma vertex 顶点函数名声明顶点着色器
通过#pragma fragment 片元函数名声明片元(像素)着色器
通过#include "库函数名.cginc"声明外部引用的库

数据类型

float4：4维向量，分量分别是xyzw。每个分量的占32bit，精确到小数点后6位。
half4： 4维向量，每个分量占16bit，表示范围为[-60000，60000]，精确到小数点后3位。
fixed4：4维向量，分量分别是rgba。每个分量占11bit。表示范围为[-2,2]，精度为1/256
使用分量的时候，可以通过.x/.y/.z/.w/.xy/.xz等等，甚至还可以.xxyy。
例如以下的赋值方式都合法的：

float4 pos;
float3 temp = pos.xyz;
temp = pos.yzz;
temp = float3(pos.yz,1);

不可以将低维向高维转换，因为缺失了高维的数据。
例如: float3(1,0,0) --x--> float4(1,0,0,?)
可以将高维向低维转换，会直接舍弃高维数据。
例如: float4(1,0,0,1) --√-->float3(1,0,0)

坐标位置通常会用float4表示，由于float4类型的位置可以方便矩阵变换。所以需要将原本float3类型的位置信息扩散到齐次坐标空间。并且分量w可以用于表示该坐标是一个点，还是一个向量。
点，用float4表示，就是float4(x,y,z,1)。
向量，用float4表示，就是float4(x,y,z,0)。
颜色通常会用fixed4来表示，因为颜色的表示不需要那么大的精度
齐次坐标空间：将一个原本是n维的向量用一个n+1维向量来表示

各种语义的意义和范围

Unity中Renderer组件传递给顶点着色器的关联语义
POSITION ：模型空间(相对于模型自身)的顶点坐标，float4类型。分量xyz可用于表示的范围为[-0.5,0.5]，分量w的取值为0或1，0代表点，1代表向量。
NORMAL ：顶点法线，float3类型
TANGENT ：顶点切线，float4类型
TEXCOORDn ：第n套纹理坐标，float2或float4类型
COLOR ：顶点颜色，fixed4或float4类型
顶点着色器输出数据的语义
SV_POSITION ：剪裁空间(屏幕空间)下的坐标。左下角为原点(0,0) 横轴的范围是(0,屏幕宽度) 纵轴的范围是(0,屏幕高度)。结构体中必须包含一个用该语义修饰的变量。
COLOR0 ：通常用于输出第一组顶点颜色，但不是必需的
COLOR1 ：通常用于输出第二组顶点颜色，但不是必需的
TEXCOORD0~TEXCOORD7 ：通常用于输出纹理坐标，但不是必需的
片元着色器输出数据的语义
SV_TARGET ：最终输出屏幕的颜色值，fixed4或float4类型。有时候这个语义可以写成COLOR，但是由于SV_TARGET在各个平台上都容易被识别，所以还是选用这个。