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：
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