本文同时发布在我的个人博客上：https://dragon_boy.gitee.io

概述

材质和Unity Shader

在Unity中，我们需要配合使用材质和Unity Shader才能达到需要的效果。常见流程是创建一个材质，创建一个Unity Shader，将Shader赋予材质，将材质赋予要渲染的物体，调整Shader的属性，来得到想要的效果。

在Unity Shader中，定义了渲染所需的各种代码（顶点着色器和片元着色器等）、属性（如使用哪些纹理）和指令（渲染和标签设置），材质允许我们调节这些属性，并将其最终赋予模型。

Unity中的Shader

Unity Shader和渲染管线中的Shader有很大的不同。

较新版本的（这里是2019.3.10f1）Unity为我们提供了5种模板，Standard Surface Shader, Unlit Shader, Image Effect Shader, Compute Shader, Ray Tracing Shader。Standard Surface Shader会产生一个包含标准光照模型的表面着色器模板，Unlit Shader则会产生一个不包含光照的基本顶点\片元着色器， Image Effect Shader则为执行各种屏幕后处理效果提供了一个基本模板，Compute Shader则会产生一种特殊的Shader文件，这类Shader是利用GPU的并行性来进行一些与常规渲染流水线无关的计算， Ray Tracing Shader则为使用光线追踪的渲染方式提供了一个基本模板，这与我们常见的基于光栅化的渲染架构有较大的区别。之后的学习我们通常会使用Unlit Shader。

ShaderLab

Unity在传统的shader的基础上添加了一层抽象，方便我们进行shader的编写。Unity为这层抽象提供了一种专门的语言——ShaderLab。

Unity Shader与传统方式的区别：

在Unity中，所有的Unity Shader都是使用ShaderLab来编写的。ShaderLab使用嵌套在{}中的语义来描述一个Unity Shader文件的结构。这些结构包含了许多渲染所需的数据。

一个Unity Shader的基础结构如下：

Shader "ShaderName"
{
  Properties
  {

  }  
  SubShader  //显卡A使用的子着色器
  {

  }
  SubShader  //显卡B使用的子着色器
  {

  }

  Fallback "VertexLit"
}

Unity在背后会根据使用的平台把这些结构编译成真正的代码和Shader文件，开发者只需要关注Unity Shader。

Unity Shader的结构

命名

每个Unity Shader文件的第一行都需要通过Shader语义来指定该Unity Shader的名字。这个名字有一个字符串定义，如“MyShader”。这个名字也是一个相对于Unity的存储路径，可以使用“/”来控制Unity Shader在材质面板中出现的位置。

属性

Properties语义块中包含一了系列属性，这些属性将会出现在材质面板中。

Properties语义块的定义通常如下：

Properties
{
  PropertyName("display name", PropertyType) = Value
  // 其它属性
}

SubShader

每一个Unity Shader文件可以包含多个SubShader语义块，至少有一个。Unity会扫描所有SubShader语义块，选择第一个能在目标平台上运行的SunShader。都不支持的话会使用Fallback对应的Unity Shader。

SubShader中的定义通常如下：

SubShader
{
  //可选
  [Tags]

  //可选
  [RenderSetup]

  Pass
  {
    //可选
    [Tags]

    //可选
    [RenderSetup]
  }
  
  // 其它的Pass
}

SubShader中定义了一系列Pass以及可选的状态和标签设置。每个Pass定义了一次完整的渲染流程，如果Pass的数量过多，会降低性能。状态和标签也可以在Pass中设置。注意，SubShaer中的标签有些是特定的。

状态设置
ShaderLab提供了一系列渲染状态的设置指令，常见如下：

在SubShader中设置的渲染状态会应用于所有的Pass。
SubShader的标签
SubShader的标签是一个键值对，都是字符串类型。它们用来告诉Unity如何和何时渲染对象。

标签结构如下：

Tags { "TagName1" = "Value1" "TagName2" = "Value2"}

SubShader支持的标签类型如下：

注意，上述标签仅可在SubShader中使用。

Pass语义块
Pass语义块的语义如下：

Pass
{
  [Name]
  [Tags]
  [RenderSetup]
}

对于Pass的名称，我们可以使用UsePass命令在其它Shader中使用这个Pass：

UsePass "Shader/PASSNAME"  //Pass的名称要使用大写

Pass的标签类型如下：

除上述普通的Pass外，还有UsePass和GrabPass。GrabPass负责抓取屏幕并将结果存储在一张纹理中。

Fallback

这条命令在每个Shader最后出现，在所有SubShader都无法使用时就会使用Fallback所指定的Shader。

语义如下：

Fallback "name"
//或
Fallback Off  //关闭Fallback

Fallback会影响阴影的投射。在渲染阴影纹理时，Unity会在每个Unity Shader中寻找一个阴影投射的Pass，通常情况下我们不需要自定义一个Pass，Fallback一个内置的即可。

Unity Shader形式

在Unity Shader中最重要的是指定各种着色器的代码，可以写在SubShader中（表面着色器），也可以写在Pass中（顶点着色器\片元着色器）。

表面着色器

这是Unity自创的一种着色器代码类型，所需代码量少，但渲染的代价大。当给Unity提供一个表面着色器时，它会在背后创建对应的顶点着色器和片元着色器。

一个简单的表面着色器的代码如下：

Shader "Custom/Simple Surface Shader"
{
    SunShader
    {
        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"
}

顶点\片元着色器

一个简单的顶点\片元着色器代码如下：

Shader "Custom/Simple VertexFragment Shader"
{
    SunShader
    {
        Tags {"RenderType" = "Opaque"}
        CGPROGRAM
        
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag

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

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

    Fallback "Diffuse"
}

选择哪种UnityShder形式

如果光源数量较多，使用表面着色器会比较方便
如果光源数量较少，使用顶点\片元着色器是一个比较好的选择
如果有许多自定义的渲染效果，那么使用顶点\片元着色器是一个比较好的选择。

额外的事项

Unity Shader并不是真正的Shader

Unity Shader时一个ShaderLab文件——以.shader为为文件后缀的文件，Unity可以根据它在幕后生成着色器。

在Unity Shader中，我们可以在一个文件中实现多项任务，这是传统的Shader做不到的。

在传统的Shader中，我们只能编写特定类型的Shader，在Unity Shader中，我们可以在同一文件中同时包含所需的顶点着色器和片元着色器的代码。
在传统的Shader中，我们无法设置一些渲染设置，这些需要在其它的代码中设置。在Unity Shader中，我们可以很快的完成这些设置。
在传统的Shader中，我们需要大量的代码来设置着色器的输入和输出，并小心处理输入输出的位置对应关系，在UnityShader中，我们只需要在特定的语句块中声明一些属性就可以依靠材质来修改这些属性。

由于Unity Shader的高度封装性，我们可以编写的Shader类型和语法就被限制了，如对曲面细分着色器和几何着色器的支持就差一些。

Unity Shader:基础

概述