Shader开发之三大着色器

固定功能管线着色器Fixed Function Shaders

固定功能管线着色器的关键代码一般都在Pass的材质设置Material{}和纹理设置SetTexture{}部分。

Shader "Custom/VertexList" {

    Properties {

        _Color("Main Color",Color) = (,,,0.5)

        _SpecColor("Spec Color",Color) = (,,,)

        _Emission("Emissive Color",Color) = (,,,)

        _Shininess("Shininess",Range(0.01,)) = 0.7

        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}

    }

    SubShader {

        Pass{

                Material{

                   Diffuse[_Color]

                   Ambient[_Color]

                   Shininess[_Shininess]

                   Specular[_SpecColor]

                   Emission[_Emission]

                }      

                Lighting On

                SeparateSpecular On//启用高光颜色

                //设置纹理

                SetTexture[_MainTex]{

                   //设置颜色常量

                   constantColor[_Color]

                   //混合命令

                   combine texture * primary DOUBLE,

                   texture *constant

                }

            }

    }

}

表面着色器Surface Shaders

在Unity中，表面着色器的关键代码用Cg/HLSL语言编写，然后嵌在ShaderLab的结构代码中使用。使用表面着色器，用户仅需要编写最关键的表面函数，其余周边代码将由Unity自动生成，包括适配各种光源类型、渲染实时阴影以及集成到前向/延迟渲染管线中等。

编写表面着色器有几个规则：

1）表面着色器的实现代码需要放在CGPROGRAM..ENDCG代码块中，而不是Pass结构中，它会自己编译到各个Pass。

2）使用#pragma surface..命令来指明它是一个表面着色器。

#pragma surface 表面函数光照模型[可选参数]

其中表面函数用来说明哪个Cg函数包含有表面着色器代码，表面函数的形式为：

void surf(Input IN,inoutSurfaceOutPut 0)

光照模型可以是内置的Lambert和BlinnPhong，或者是自定义的光照模型。

表面函数的作用是接收输入的UV或者附加数据，然后进行处理，最后将结构填充到输出结构体SurfaceOutPut中。

输入结构体Input一般包含着色器所需的纹理坐标，纹理坐标的命名规则为uv加纹理名称。另外还可以在输入结构中设置一些附加数据：

SurfaceOut描述了表面的各种参数，它的标准结构为：

struct SurfaceOutput{
    half3 Albedo;//反射光
    half3 Normal;//法线
    half3 Emission;//自发光
    half Specular;//高光
    half Gloss;//光泽度
    half Alpha;//透明度
};

将输入数据处理完毕后，将结果填充到输出结构体中。

相关示例：

1、使用内置的Lambert光照模型，并设置表面颜色为白色。

 Shader "Custom/Diffuse Simple" {

     SubShader{

         Tags{"RenderType" = "Opaque"}

         CGPROGRAM//表面着色器的实现代码

         //指明着色器类型，表面函数和光照模型

         #pragma surface surf Lambert

         struct Input{//输入的数据结构体

             float color : COLOR;

         };

         void surf(Input IN,inoutSurfaceOutput o){//表面函数

             o.Albedo = ;//输出颜色值

         }

         ENDCG;

     }

     Fallback "Diffuse"//备选着色器

 }

渲染效果如下：

2、在示例1的基础上添加纹理，代码如下：

 Shader "Custom/Diffuse Simple" {

     Properties{//添加纹理属性

         _MainTex("Texture",2D) = "White"{}

     }

     SubShader{

         Tags{"RenderType" = "Opaque"}

         CGPROGRAM   //表面着色器的实现代码

         //指明着色器类型，表面函数和光照模型

         #pragma surface surf Lambert

         struct Input{//输入的数据结构体

             float2 uv_MainTex;

         };

         sampler2D _MainTex;

         void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o){//表面函数

             o.Albedo = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;

         }

         ENDCG

     }

     Fallback "Diffuse"//备选着色器

 }

渲染效果如下：

3、在示例2的基础上添加法线贴图

 Shader "Custom/Diffuse Simple"{

     Properties{//添加纹理属性

         _MainTex("Texture",2D) = "white"{}

         //添加法线贴图属性

         _BumpMap("Bumpmap",2d) = "bump"

     }

     SubShader{

         Tags{"RenderType" = "Opaque"}

         CGPROGRAM//表面着色器的实现代码

         //指明着色器类型，表面函数和光照模型

         #pragma surface surf Lambert

         struct Input{//输入的数据结构体

             float2 uv_MainTex;

             float2 uv_BumpMap;

         };

         sampler2D _MainTex;

         sampler2D _BumpMap;

         void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o){//表面函数

             o.Albedo = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;

             o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,IN.uv_BumpMap));

         }

         ENDCG

     }

     Fallback "Diffuse"//备选着色器

 }

渲染效果如下：

4、添加立方体贴图反射

 Shader "Surface Shader Example/Diffuse Simple"{

     Properties{//添加纹理属性

     _MainTex("Texture",2D) = "white"{}

     //立方体贴图属性

     _Cube("Cubemap",CUBE) = ""{}

 }

     SubShader{

             Tags{"RenderType" = "Opaque"}

             CGPROGRAM//表面着色器的实现代码

             //指明着色器类型，表面函数和光照模型

             #pragma surface surf Lambert

             struct Input{//输入的数据结构体

                 float2 uv_MainTex;

                 float3 worldRefl;//输入反射参数

         };

             sampler2D _MainTex;

             SamplerCUBE _Cube;

             void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o){//表面函数

                 o.Albedo = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;

                 //将发射颜色设置给自发光颜色

                 o.Emission = texCUBE(_Cube,IN.worldRefl).rgb;

             }

             ENDCG

     }

     Fallback "Diffuse"//备选着色器

 }

渲染效果如下：

顶点片段着色器Vertex And Fragment Shaders

顶点片段着色器运行于具有可编程渲染管线的硬件上，它包括顶点程序Vertex Programs和片段程序Fragment Programs。当在使用顶点程序或片段程序进行渲染的时候，图形硬件的固定功能管线会关闭，具体来说就是编写的顶点程序会替换掉固定管线中标准的3D变换，光照，纹理坐标生成等功能，而片段程序会替换掉SetTexture命令中的纹理混合模式。因此编写顶点片段着色器需要对3D变化，光照计算等有非常透彻的了解，需要写代码来替代D3D或者OpenGL原先在固定功能管线中要做的工作。

与表面着色器一样，顶点片段着色器也需要用Cg/HLSL来编写核心的实现代码，代码用CGPROGRAM ENDCG语句包围起来，放在ShaderLab的Pass命令中，形式如下：

Pass{
//通道设置
CGPROGRAM
//本段Cg代码的编译命令
#pragma vertexvert
#pragma fragment frag
//Cg代码
ENDCG
//其他通道设置
}

顶点着色程序从GPU前端模块（寄存器）中提取图元信息（顶点位置、法向量、纹理坐标等），并完成顶点坐标空间转换、法向量空间转换、光照计算等操作，最后将计算好的数据传送到指定寄存器中；然后片断着色程序从中获取需要的数据，通常为“纹理坐标、光照信息等”，并根据这些信息以及从应用程序传递的纹理信息（如果有的话）进行每个片断的颜色计算，最后将处理后的数据送光栅操作模块。

顶点着色器和像素着色器的数据处理流程

在应用程序中设定的图元信息（顶点位置坐标、颜色、纹理坐标等）传递到vertex buffer中；纹理信息传递到texture buffer中。其中虚线表示目前还没有实现的数据传递。当前的顶点程序还不能处理纹理信息，纹理信息只能在片断程序中读入。

顶点着色程序与片断着色程序通常是同时存在，相互配合，前者的输出作为后者的输入。不过，也可以只有顶点着色程序。如果只有顶点着色程序，那么只对输入的顶点进行操作，而顶点内部的点则按照硬件默认的方式自动插值。例如，输入一个三角面片，顶点着色程序对其进行phong光照计算，只计算三个顶点的光照颜色，而三角面片内部点的颜色按照硬件默认的算法（Gourand明暗处理或者快速phong明暗处理）进行插值，如果图形硬件比较先进，默认的处理算法较好（快速phong明暗处理），则效果也会较好；如果图形硬件使用Gourand明暗处理算法，则会出现马赫带效应（条带化）。

而片断着色程序是对每个片断进行独立的颜色计算，并且算法由自己编写，不但可控性好，而且可以达到更好的效果。

由于GPU对数据进行并行处理，所以每个数据都会执行一次shader程序程序。即，每个顶点数据都会执行一次顶点程序；每个片段都会执行一次片段程序。

片段就是所有三维顶点在光栅化之后的数据集合，这些数据没有经过深度值比较，而屏幕显示的像素是经过深度比较的。

顶点片段着色器中编译命令的一些说明：

编译命令Compilation directive

编译目标Shader targets

下面是一些顶点片段着色器的例子：

1）根据发现方向设置模型表面颜色

 Shader"Tutorial/Display Normals"{

     SubShader{

         Pass{

             CGPROGRAM

             //CG代码块开始

             #pragma vertex vert

             #pragma fragment frag

             #include "UnityCG.cginc"

             struct v2f{

                 float4 pos:SV_POSITION;

                 float3 color:COLOR0;

             }；

                v2f vert(appdata_base v)

                {//顶点程序代码，计算位置和颜色

                   v2f o;

                   o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);

                   o.color = v.normal*0.5+0.5;

                   return o;

                }

               half4 frag(v2f i):COLOR

              {

                  //片段程序代码，直接把输入的颜色返回，并把透明度设置为1

                    return half(i.color,);

              }

             ENDCG

         }

     }

     Fallback "VertexLit"

 }

渲染效果如下：

2）根据切线方向设置模型表面颜色。

 Shader"vertex and fragment example/Tangents"{

     SubShader{

         Pass{

             Fog{Mode Off}
             CGPROGRAM

             //CG代码块开始

             #pragma vertex vert

             #pragma fragment frag

             //输入位置和切线数据

             struct appdata{

                 float4 vertex : POSITION;

                 float4 tangent : TANGENT;

             };

             struct v2f{
                 float4 pos : POSITION;
                 fixed4 color : COLOR;

             };
                v2f vert(appdata_base v)

                {//顶点程序代码，计算位置和颜色

                   v2f o;

                   o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);

                   o.color = v.tangent*0.5+0.5;

                   return o;

                }

               fixed4 frag(v2f i):COLOR0
               {

                  //片段程序代码，直接把输入的颜色返回，并把透明度设置为1

                     return i.color;

               }

              ENDCG

         }

     }

 }

渲染效果如下：