Shader编写指南(五十九): 跨图形 API 的着色器开发指南

不同图形 API（如 Direct3D、OpenGL、Metal）在渲染行为上存在底层差异，Unity 编辑器虽会隐藏大部分差异，但在特定场景下（如渲染纹理坐标、深度缓冲处理）仍需手动适配。以下是关键差异点及解决方案：

一、纹理坐标（UV）的垂直方向差异

核心问题

• Direct3D 类平台（Direct3D、Metal、主机）：纹理坐标 Y 轴顶部为 0，向下递增。
• OpenGL 类平台（OpenGL、OpenGL ES）：纹理坐标 Y 轴底部为 0，向上递增。

影响场景

1. 渲染到 RenderTexture

   • Direct3D 类平台需内部翻转纹理以匹配 OpenGL 约定，但开启抗锯齿（AA）时可能导致多个纹理方向不一致。
   • 解决方案：在顶点着色器中手动翻转 Y 轴坐标。

     hlsl

     // 在顶点着色器中处理UV坐标  
     float4 vert(appdata v) {  
         float4 pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  
         float2 uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);  
         #if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP  // Direct3D类平台标记  
             if (_MainTex_TexelSize.y < 0) uv.y = 1 - uv.y;  
         #endif  
         // 传递uv到片元着色器  
         o.uv = uv;  
         return pos;  
     }  
     

2. GrabPass 采样

   • Direct3D 类平台的 GrabPass 纹理可能未自动翻转，需使用ComputeGrabScreenPos计算正确坐标。

     hlsl

     // 片元着色器中采样GrabPass纹理  
     float4 frag(v2f i) : SV_Target {  
         float4 screenPos = ComputeGrabScreenPos(i.pos);  
         float4 grab = tex2Dproj(_GrabTexture, screenPos);  
         // 处理纹理数据  
         return grab;  
     }  
     

3. UV 空间渲染

   • 若直接在 UV 空间渲染（如 UI 特效），需根据_ProjectionParams.x判断是否翻转 Y 轴。

     hlsl

     float4 vert(float2 uv : TEXCOORD0) : SV_POSITION {  
         if (_ProjectionParams.x < 0) uv.y = 1 - uv.y; // Direct3D类平台翻转  
         return float4(uv * 2 - 1, 0, 1); // 转换为NDC坐标  
     }  
     

二、裁剪空间深度（Z）的差异

核心问题

• Direct3D/Metal：裁剪空间深度范围为[近平面值, 0]，深度缓冲1.0表示近平面，0.0表示远平面（反向深度）。
• OpenGL 类：裁剪空间深度范围为[-近平面值, 远平面值]，深度缓冲0.0表示近平面，1.0表示远平面（正向深度）。

适配方案

1. 深度缓冲采样

   • 使用Linear01Depth或LinearEyeDepth宏自动处理深度方向。

     hlsl

     float depth = tex2D(_CameraDepthTexture, uv).r;  
     #if defined(UNITY_REVERSED_Z) // Direct3D类平台标记  
         depth = 1 - depth; // 转换为正向深度  
     #endif  
     float linearDepth = Linear01Depth(depth); // 转换为0-1范围  
     

2. 自定义深度计算

   • 通过UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE宏将裁剪空间 Z 转换为 0-1 范围。

     hlsl

     float clipZ = i.pos.z;  
     float normalizedZ = UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(clipZ);  
     

3. 投影矩阵处理

   • 在脚本中手动翻转 Direct3D 类平台的投影矩阵 Z 分量。

     csharp

     // C#脚本中处理投影矩阵  
     if (SystemInfo.usesReversedZBuffer) {  
         projectionMatrix.m20 *= -1;  
         projectionMatrix.m21 *= -1;  
         projectionMatrix.m22 *= -1;  
         projectionMatrix.m23 *= -1;  
     }  
     

三、着色器数据精度与语法差异

1. 浮点精度

• PC GPU：float、half、fixed均为 32 位精度。
• 移动 GPU：half（16 位）和fixed（12 位）可能存在精度损失，需显式声明精度。

  hlsl

  // 移动平台推荐精度声明  
  #pragma target 3.0  
  half4 frag() : SV_Target {  
      fixed3 color = fixed3(0.5, 0.5, 0.5); // 使用fixed类型  
      return half4(color, 1);  
  }  
  

2. const 关键字

• HLSL：const变量为运行时常量，可初始化任意值。
• GLSL：const变量必须为编译时常量（字面量或常量表达式）。
  最佳实践：仅用const声明真正的不变量，避免使用变量初始化。

  hlsl

  const float PI = 3.1415926; // 推荐写法  
  float angle = 90.0;  
  // const float rad = angle * PI / 180; // 不推荐（angle为变量）  
  

3. 语义（Semantic）差异

• 顶点着色器位置：统一使用SV_POSITION，避免POSITION在 PS4 或曲面细分时失效。
• 片元着色器颜色：使用SV_Target，避免COLOR在 PS4 不兼容。

  hlsl

  // 正确写法  
  float4 frag() : SV_Target { return float4(1,0,0,1); }  
  

4. HLSL 特定语法

• Direct3D 平台需注意 HLSL 编译器的严格性（如未初始化变量报错）。
  • 顶点修改函数中初始化输出结构体：

    hlsl

    void vert(inout appdata_full v, out Input o) {  
        UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input, o); // 初始化输出  
        o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);  
    }  
    

  • 避免在顶点着色器中使用tex2D，改用tex2Dlod并声明#pragma target 3.0。

四、缓冲区与内存布局

1. 常量缓冲区（Constant Buffer）

• 不同 API 对结构体对齐方式不同，推荐使用float4和float4x4避免布局错误。

  hlsl

  // 推荐写法（float3用float4存储）  
  cbuffer MyBuffer {  
      float4x4 WorldMatrix;  
      float4 Position; // 替代float3，确保对齐  
      float Scale;  
  };  
  

2. 计算缓冲区（Compute Buffer）

• 确保结构体在 C# 和 HLSL 中布局一致，使用[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]标记。

  csharp

  // C#结构体定义  
  [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]  
  public struct MyData {  
      public Vector4 Position;  
      public float Scale;  
  }  
  

   

  hlsl

  // HLSL结构体定义  
  struct MyData {  
      float4 Position;  
      float Scale;  
  };  
  

五、特定 API 功能适配

1. 帧缓冲取指（Framebuffer Fetch）

• 支持平台（如 iOS 的 PowerVR GPU）可通过inout half4 color访问当前像素颜色。

  hlsl

  #pragma only_renderers framebufferfetch // 限制支持平台  
  void frag(v2f i, inout half4 color : SV_Target) {  
      color.rgb = max(color.rgb, 0.5); // 提亮现有颜色  
  }  
  

2. DirectX 11 特定语法

• 使用#ifdef SHADER_API_D3D11包裹 DX11 专属代码（如 StructuredBuffer）。

  hlsl

  #ifdef SHADER_API_D3D11  
      StructuredBuffer Points;  
  #else  
      // 其他API的替代实现  
  #endif  
  

六、性能与兼容性最佳实践

1. 平台宏判断
   使用 Unity 内置平台宏（如UNITY_UV_STARTS_AT_TOP、UNITY_REVERSED_Z）条件编译。

   hlsl

   #if UNITY_EDITOR_WIN || UNITY_STANDALONE_WIN // Direct3D类平台  
       // 特定代码  
   #elif UNITY_ANDROID || UNITY_IOS // OpenGL ES类平台  
       // 特定代码  
   #endif  
   

2. 避免依赖 API 特性

   • 不使用 GLSL 的centroid等非通用修饰符。
   • 统一使用tex2Dlod替代tex2D以兼容顶点着色器。

3. 测试与调试

   • 在目标平台真机测试，尤其注意移动设备的精度问题。
   • 使用 Unity 的 Frame Debugger 查看不同 API 的渲染结果差异。

总结：跨平台着色器开发 Checklist

场景	操作指南
纹理坐标垂直方向	使用UNITY_UV_STARTS_AT_TOP宏判断，手动翻转 Y 轴或依赖ComputeGrabScreenPos。
深度缓冲方向	用UNITY_REVERSED_Z宏判断，通过Linear01Depth/LinearEyeDepth转换深度值。
常量缓冲区对齐	用float4存储向量，按float4→float2→float顺序声明变量。
语义兼容性	顶点位置用SV_POSITION，片元颜色用SV_Target。
平台特定代码	用#ifdef SHADER_API_*包裹 DirectX/Metal 等专属语法。
精度与变量初始化	移动平台显式声明精度，HLSL 中初始化所有输出变量。

通过系统性处理上述差异，可确保着色器在不同图形 API 和平台间保持一致表现，同时兼顾性能与兼容性。