Unity Shader（零）-顶点着色器和片元着色器

JoshWindsor

前言

Unity Shader我认为在游戏开发的流程中是比较难学的一部分，实在是太多劝退的理由，比如图形学晦涩难懂，VS对于Shader没有自动补充，报错没有没有明显提示，遇到问题很难找到人询问。
即便是了解多年，我也始终不求甚解徘徊于入门水平。终于在又一次沟通需求的时候没有听懂TA说得话，所以打算重学Unity Shader。
Unity渲染管线

Shader主要是对顶点着色器和片元着色器进行编写，那么我们首先要知道这两位好兄弟在渲染管线中起到什么样的作用，那么首先要是知道Unity渲染管线是个什么。



简要来说三个大模块：CPU应用程序阶段、GPU渲染管线、帧缓冲区。
CPU应用程序阶段

CPU应用程序阶段大致作四件事情：剔除、排序、打包数据、绘制调用。

• 剔除
  
  
  
  • 视锥体剔除：根据FOV、FarClip、NearClip构成的视锥体Bounding。
    
  • 层级剔除：Camera上的LayerMask组件，指定层级可以被相机剔除。
    
  
  

• 排序
  
  
  
  • RenderQueue：渲染队列，半透明的RenderQueue，一般比不透明的RenderQueue大，不透明相同的RenderQueue则按照摄像机距离从前到后进行排序。半透明相同的RenderQueue则按照摄像机距离从后到前进行排序。
    
  
  

• 打包数据
  
  
  
  • 模型信息：顶点信息、法线信息、UV、切线、顶点色。
    
  • 灯光信息：灯光数据、材质信息。
    
  • 变换矩阵：模型空间矩阵、Fov参数。
    
  
  

• 绘制调用：数据准备完毕，CPU要告诉好基友GPU，你要开始干活了，也就是DrawCall的来源。
  

GPU应用程序阶段

终于到了顶点着色器和片元着色器闪亮登场的时刻了，不过不要急，先看一下GPU应用程序阶段发生了什么吧。



GPU应用程序阶段就是把CPU打包发送给GPU的顶点数据通过可编程实现的顶点着色器和片元着色器，最后输出为硬件可识别的2D像素。
大体也是可以分为四个阶段：顶点着色器、光栅化、片元着色器和输出合并。

• 顶点着色器：顶点坐标从模型空间转化为裁剪空间，展开来说就是MVP矩阵变换，顶点着色器进行的业务处理有：
  
  
  
  • 矩阵变换的计算
    
  • 计算光照公式生成逐顶点颜色
    
  • 生成/变换纹理坐标
    
  
  

• 光栅化：对应的图元，将图元转化成一组二维片段。而这些转化的片段将由着色器处理，这些二维片段就是屏幕上可绘制的像素。
  
• 片元着色器：程序是用来描述片段上执行操作(如颜色混合)的片元着色器程序源代码，它可以于图/视频/图形中每个像素的颜色填充。在片元着色器的业务处理有：
  
  
  
  • 计算颜色
    
  • 获取纹素
    
  • 往像素点中填充颜色值
    
  
  

一般在游戏里面我们能够或许颜色的方式主要有纹理（包括纹理采样、纹理过滤、MipMap、纹理寻址、纹理压缩）和光照（常说的直接光照和间接光照）两种。



Unity内的LightProbe

光照的计算又遵从光照模型。





常见的三种光照模型

• 输出合并：经过模板测试和深度测试后，混合在一起，最后把数据输出到帧缓冲区。
  

Shader入门

Unity创建Shader种类

• Standard Surface Shader
  

标准表面着色器，是一种基于物理的着色系统（使用了Physically Based Rendering（简称PBR）技术，即基于物理的渲染技术），以模拟现实真实的方式来模拟材质与灯光之间的关系，可以很轻易的表现出各种金属反光效果，同时此种Shader的书写逻辑也更符合人类的思维模式。

• Unlit Shader
  

Vertex/Fragment Shader,也就是最基本的顶点片断着色器，不受光照影响的Shader，多用于特效、UI上的效果制作。

• Image Effect Shader
  

也是顶点片断着色器，只不过是针对后处理而定制的模版。

• Compute Shader
  

Compute Shader是运行在图形显卡上的一段程序，独立于常规渲染管线之外的，它可以直接将GPU作为并行处理器加以利用，从而使GPU不仅具有3D渲染能力，还具有其他的运算能力。

• Shader Variant Collection
  

Shader变体收集器，是对Shader变体进行打包用的容器。
Shader属性声明

在Properties{}中定义着色器属性，在这里定义的属性将被作为输入提供给所有的子着色器。每一条属性的定义的语法是这样的：
_Name("Display Name", type) = defaultValue[{options}]

• _Name - 属性的名字，简单说就是变量名，在之后整个Shader代码中将使用这个名字来获取该属性的内容
  
• Display Name - 这个字符串将显示在Unity的材质编辑器中作为Shader的使用者可读的内容
  
• type - 这个属性的类型，可能的type所表示的内容有以下几种：
  
  
  
  • Color - 一种颜色，由RGBA（红绿蓝和透明度）四个量来定义；
    
  • 2D - 一张2的阶数大小（256，512之类）的贴图。这张贴图将在采样后被转为对应基于模型UV的每个像素的颜色，最终被显示出来；
    
  • Rect - 一个非2阶数大小的贴图；
    
  • Cube - 即Cube map texture（立方体纹理），简单说就是6张有联系的2D贴图的组合，主要用来做反射效果（比如天空盒和动态反射），也会被转换为对应点的采样；
    
  • Range(min, max) - 一个介于最小值和最大值之间的浮点数，一般用来当作调整Shader某些特性的参数（比如透明度渲染的截止值可以是从0至1的值等）；
    
  • Float - 任意一个浮点数；
    
  • Vector - 一个四维数；
    
  
  
• defaultValue 定义了这个属性的默认值，通过输入一个符合格式的默认值来指定对应属性的初始值（某些效果可能需要某些特定的参数值来达到需要的效果，虽然这些值可以在之后在进行调整，但是如果默认就指定为想要的值的话就省去了一个个调整的时间，方便很多）。
  
  
  
  • Color - 以0～1定义的rgba颜色，比如(1,1,1,1)；
    
  • 2D/Rect/Cube - 对于贴图来说，默认值可以为一个代表默认tint颜色的字符串，可以是空字符串或者”white”,”black”,”gray”,”bump”中的一个
    
  • Float，Range - 某个指定的浮点数
    
  • Vector - 一个4维数，写为 (x,y,z,w)
    
  
  

所以，写一个最简单的示例：
Properties{
        _MainTex("Main Texture", 2D) = "white"{}
        _DisplacementTex("Displacement Texture", 2D) = "white"{}
        
        _Magnitude("Magnitude", Range(0, 1)) = 0
        _Tween("Tween", Range(0, 1)) = 0
        _Color("Color", Color) = (1,1,1,1)
        //Properties
        // {
        //  _Color("我是Color", Color) = (1,1,1,1)
        // }
        // 变量名：_Color
        // 显示名称：我是Color
        // 类型：Color
        // 默认值：（1,1,1,1）
    }