Unity Shader 00 - 梳理 Unity Shader 的基本结构

0x00 写在前面

之前一直在阅读 The Book of Shaders 一书，为什么会开始写 Unity Shader 呢？一方面，因为该书目前尚未完结，写下此文时已阅读到该书的最新章节；另一方面，也需要通过一些实践来检验以及巩固所学的知识。Unity 引擎提供的环境正好是一个不错的媒介。

本文没有完整可运行的 Shader 代码，只是简单梳理一下 Unity Shader 的基本结构，为之后学习做铺垫。

0x01 基本框架

一段 Unity Shader 的基本结构如下：

// 路径及名字
Shader "Path/ShaderName"
{
    // 材质属性
    Properties
    {

    }

    // 子着色器
    SubShader
    {
        [Tags]
        [RenderSetup]
        Pass
        {
            Name "PassName"
            [Tags]
            [RenderSetup]
            // ...
            // 顶点/片元着色器
        }
        // 更多 Pass 可选
    }
    // 更多 SubShader 可选
    Fallback "OtherShaderName" // 可选
}

0x02 名字

Path/ShaderName 决定该 Shader 在选择面板上所处的位置，很像文件的全路径。例如，Shader "Path0/Path1/CustomShader" 将位于 Path0 → Path1 → CustomShader：

0x03 属性

Properties 括号中定义的属性将在材质面板上展示，可以方便地进行调节。

Properties
{
    Name("Display Name", Type) = DefaultValue
    // Other Properties
}

定义一个属性，就像在 C 语言中定义一个变量一样，只是格式稍有不同。在上面的代码中，Name 是属性的名字，Display Name 是用于展示在材质面板上的名字，Type 是属性的类型，DefaultValue 是属性的默认值。ps：其中 Name 常常以下划线开头，例如 _PropertiesName。

下面列出一些常用的属性：

数字

_Number0("Number 0", Range(-2.0, 2.0)) = 0.0
_Number1("Number 1", Float) = 0.618
_Number2("Number 2", Int) = 3

其中，Range 将在面板上展示一个滑动条，它的两个参数依次表示可以滑动的最小值和最大值。Float 是浮点数，Int 是整数。

颜色和向量

_Color("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Vector("Vector", Vector) = (1, 1, 1, 1)

颜色 Color 的四个值分别表示 RGBA，在面板上将会展示修改按钮以及吸取按钮。向量 Vector 为四维向量，在面板上展示为 XYZW 四个格子。

纹理

_2DTexture("2D Texture", 2D) = "defaulttexture" {}
_Cube("Cube", Cube) = "defaulttexture" {}
_3DTexture("3D Texture", 3D) = "defaulttexture" {}

2D 表示 2D 纹理贴图，Cube 表示立方体贴图，3D 表示 3D 纹理贴图。它们都有 Tiling 和 Offset。

在 Properties 中定义的属性可以在 SubShader 的代码块中使用，只需要在相应的地方定义与这些属性名字相同、类型匹配的变量即可。SubShader 中的类型与 Properties 中的稍有不同，下面列出两者对应的匹配关系：

• Color 和 Vector 可对应 float4、half4、fixed4
• Range 和 Float 可对应 float、half、fixed
• 2D 对应 sampler2D
• Cube 对应 samplerCUBE
• 3D 对应 sampler3D

SubShader 代码中，有的属性也可以不在 Properties 中定义，两者都可以在运行时通过 C# 脚本动态地进行修改（如，使用方法 Material.SetFloat 修改浮点属性）。两者的区别是，定义在 Properties 中的属性在修改后将会被保存，而不在 Properties 中的属性则不会。

0x04 SubShader

每个 Unity Shader 中都可以包含多个 SubShader，当 Unity 展示一个 Mesh 时，将会从这些 SubShader 中找到第一个可以运行的来运行。因为不同的硬件对 Shader 的支持不同，这里可以理解为

0x05 Tags

Tags 是 kv 结构，用来指定 Shader 怎样以及何时渲染对象。

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

关于 Tags 的详细说明可以查看：ShaderLab: SubShader Tags。

0X06 RenderSetup

RenderSetup 用来设置显卡的渲染状态。比如，设置剔除模式。

Cull Back | Front | Off

关于渲染状态的详细设置可以查看：ShaderLab: Pass。

0x07 Pass

在 SubShader 中指定的 RenderSetup 将会应用到所有 Pass 中，我们也可以在 Pass 中单独指定。Pass 中的 Tags 与 SubShader 中的有所不同，主要用于控制该 Pass 中的环境光、顶点照明等，详见：ShaderLab: Pass Tags。

Pass
{
    Name "PassName" // 可选
    [Tags]
    [RenderSetup]
    // ...
    // 顶点/片元着色器
}

当用 Name 为 Pass 指定名字后，可以在其它地方复用这个 Pass。其中，Pass 名需要大写。用法如下：

UsePass "ShaderName/PASSNAME"

一个 SubShader 中可以有多个 Pass，这些 Pass 将会被依次执行。

0x08 Fallback

如果所有 SubShader 都无法使用时，将会尝试使用 Fallback 指定的着色器。如：

Fallback "Diffuse"

0X09 总结

本文简单梳理了一下 Unity Shader 的基本结构，因为了解不深，部分内容只能粗略带过。这些内容在以后有需要时会再深入研究。

最后，再回顾一下 Unity Shader 的基本结构吧：

• 每个 Shader 都需要定义名字，格式为：Shader "Path/ShaderName" {}。
• 在 Shader 的括号中，如果有需要，我们可以在 Properties 语义块中定义材质的属性。
• 每个 Shader 都包含多个子着色器 SubShader。使用多个 SubShader 是因为不同的硬件对 Shader 的支持有所不同。当实例运行时，引擎会帮我们找到第一个可以运行的 SubShader 来运行。当所有的 SubShader 都不能运行时，则使用 Fallback 指定的 Shader。
• 每个 SubShader 包含多个 Pass，每个 Pass 表示一个渲染流程。因为有的效果需要几个渲染才能表现出来，这时候就需要使用多个 Pass 了。
• SubShader 和 Pass 都可以通过一些语义 (Tags 和 RenderType) 来设置渲染状态，Pass 还可以通过：Name "PassName" 来指定 Pass 的名字。

参考资料:

• [1] Shaders Overview
• [2] Unity Shader入门精要