Unity Shader学习笔记-1

本篇文章是对Unity Shader入门精要的学习笔记，插图大部分来自冯乐乐女神的github

如果有什么说的不正确的请批评指正

渲染流水线
- 流程图
- CPU、GPU、图形接口和驱动的关系
着色器语言
- ShaderLab
  - Shader选用
  - 顶点片元着色器 Unlit Shader
3D数学
空间

渲染流水线

流水线机制，拆分小段，前面的工序不用等后面的工序，流水线机制在计算机世界中经常使用，比如：TCP

流程图

渲染管线

应用阶段（开发者控制）、几何阶段（决定图元）、光栅化阶段（决定像素）

Shader作用

顶点着色器：实现顶点的空间变换，坐标变换（模型空间转换到齐次裁减空间）、逐顶点光照、计算顶点颜色

曲面细分着色器：细分图元，图元就是：点、线、面等渲染所需的几何信息

几何着色器：执行逐个图元的着色操作，或者用于产生更多的图元

片元着色器：逐片元的着色操作，修改颜色、深度缓冲、进行混合

屏幕映射

三角形遍历

三角形设置：由定点信息计算出边的信息

三角形遍历：计算是否在三角形内，使用与三条边叉乘的方法判断在边的左边或者右边，遍历3条边的方式按照顺时针或者逆时针，对应点在

计算三角形内的数据：

计算颜色：插值计算

两大渲染测试

决定是否丢弃片元

模板测试
- 通常用于限制渲染的区域
- 使用一个比较函数比较参考值和实际值
- 高级用法：渲染阴影、轮廓渲染
深度测试
- 与深度缓冲区的深度值进行比较大于时舍弃该片元
- 如果一个片元没有通过深度测试那么它就没权力修改深度缓冲区
两者的区别：除功能外，模板状态设置更新即使舍弃了该片元也会更新模板缓冲区的值
early-z的方法：提前进行深度测试，可以帮助决定是否绘制片元，减少GPU开销

混合

合并颜色，颜色缓冲区，这次得到的结果和存储的结果进行合并

CPU、GPU、图形接口和驱动的关系

CPU和GPU之间的通信

数据加载到显存（显卡的内存，图像缓冲、深度缓冲）
设置渲染状态
调用DrawCall

CPU和GPU并行工作的秘密：命令缓冲区

一个命令队列，cpu给命令、gpu拿命令
drawcall就是一种命令，GPU的渲染速度很快，性能瓶颈主要是在CPU传递命令这方面
- 减少drawcall的方法有很多，其中Batching批处理是很常用的方法，思路就是把小的drawcall合并成大的drawcall，适用于静态的物体

显示流畅的方法

Double Buffering：避免我们看到正在渲染的片元
- Front Buffer
  - 实际显示的图像
- Back Buffer
  - 在后面渲染的图像
- 后置缓冲区渲染完成后交换两缓冲区的值

着色器语言

用于编写着色器的语言，主要是顶点着色器和片元着色器需要编写

HLSL DirectX
- 微软控制的着色器编译，各硬件编译的结果相同
CG NVIDIA
- 和HLSL很像，根据平台的不同编译成相应的中间语言
GLSL OpenGL
- 依赖硬件来编译，用显卡驱动来编译，各驱动的编译结果根据硬件变化
它们编译成中间语言IL给显卡驱动识别（这也是某种跨平台的意思吧-。-）
ShaderLab unity的简化语言，少了很多的配置流程，大部分流程是unity自己做

ShaderLab

Shader选用

摘取乐乐女神的指导

一般用CG/HLSL代码写： CG代码和DX9的HLSL代码几乎一样，要在CGPROGRAM中写，CGPROGRAM要使用上面的Property的数据就要声明和上面Property一样名字一样类型的变量，如果不想在多个Pass里声明，则可以在Pass前的CGINCLUDE ... ENDCG之间声明变量，这样的Property是多Pass共用的

Properties{

		_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)

}

SubShader{

	Pass{

			...

			fixed4 _Color;

			...

	}

}

顶点片元着色器 Unlit Shader

结构

命个名和shader在面板中的目录

Shader "Custom/MyShader"    //名字

Properties

属性，会出现在材质面板中

Properties{

	Name("display name",PropertyType) = DefaultValue

	//.......

}

Name：属性的名字

display name：显示的名字

PropertyType：类型

ps：shader里改过了Property在C#脚本里并不能获得更改后的信息，只能获得预设的信息，GPU像CPU传数据使用Compute Shader

数据类型

2D、Cube、3D是三种纹理类型，默认值是一个字符串+{}，字符串是内置的纹理名称

SubShader

unity扫描所有的SubShader块找到能够在目标平台上运行的SubShader，如果找不到就使用Fallback提供的Unity Shader

SubShader

{

	[Tags]//标签

	[RenderSetup]//状态

	Pass{

	}//完整的渲染流程

	//Other Pass

}

显卡状态，在Pass里写的，剔除、深度、混合

怎么样以及何时渲染该对象，渲染队列最重要

Pass

表示渲染流程，一个Pass表示通过管线一次，可以写顶点着色器和片元着色器

UsePass可以使用其他Unity Shader的Pass，以提升复用性（用法：指明路径，并且Pass要有Name）

LightMode在有光照信息时读取光源的信息使用，主要是确定光源位置等

一个简单的Shader

Shader "Unlit/Chapter5SimpleShader"

{

	SubShader

	{

		//选择不声明任何材质属性

		Pass

		{

			CGPROGRAM

			#pragma vertex vert

			#pragma fragment frag//编译指令

			//哪个函数包括了顶点着色器的代码

			//哪个函数包括了片元着色器的代码

			#include "UnityCG.cginc"//调库,你的unity目录\Editor\Data\CGIncludes

			struct a2v {

				float4 vertex :POSITION;

				float3 normal:NORMAL;

				float4 texcoord:TEXCOORD0;

			};

			float4 vert(a2v v) :SV_POSITION{

				return UnityObjectToClipPos(v.vertex);

			}//接受顶点坐标（POSITION）返回了顶点在裁剪坐标的位置（SV_POSITION）

			float4 frag() : SV_Target{

				return fixed4(1.0,1.0,0.0,1.0);

			}//SV_Target告诉渲染器把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中，这里是帧缓存

			ENDCG

		}

	}

}

POSITION、NORMAL、TEXTCOORD0等都称为语义semantic，在结构体里的表示把提取到的信息当成一个什么对待，输出语义表示输出的结果是作为什么对待

POSITION顶点位置，在模型空间，NORMAL顶点法向量，也是模型空间，TEXTCOORD0表示纹理坐标，按理说纹理坐标只要uv，2维就可以了，但是有时比如天空盒的纹理需要用到3维的信息，一张纹理图有时前两维给一些信息，后两维又给一张图的uv信息

vert里的输出语义没有也可以，可以选择输出结构体

			struct a2v {

				float4 vertex : POSITION;

				float2  texcoord0 : TEXCOORD0;

			};

          ...

			v2f vert(a2v i)

			{

				v2f o;

				o.pos = UnityObjectToClipPos(i.vertex);

				o.uv =  i.texcoord0;

				return o;

			}

			...

在frag里的SV_Target表示屏幕上的像素（帧缓冲），还可以输出SV_Depth来覆盖深度缓冲区，不过官方说吃性能

库文件

调试

1、假彩色图像，把数据作为颜色输出到屏幕上然后用取色器查看的数值调试法。

没办法，渲染管线里的数据不是想拿就拿的，让你随便拿了管线不相当于开了个洞，像素都漏了

2、帧缓冲区调试，Frame Debugger

3、VS插件ShaderLab补全，体验一般，甚至不想开

注意点

GPU结构决定它不擅长处理选择、循环等结构的程序，分支下的代码、分支的层数要尽可能少因为他会降低GPU的并行处理操作，条件变量最好是常数

3D数学

太多了，不好写，基础知识看看乐乐老师的书吧0.0

空间

各种空间关系一开始搞不太懂也没事，后面可以在实践中慢慢理解

这块乐乐老师的书上讲的牛的点变换推导很详细

模型空间：也叫对象空间、局部空间

世界空间：绝对位置，一个Transform没有父节点他的位置就是绝对位置

观察空间：摄像机空间，模型空间的特例

摄像机右手系
- 观察变换：投影变换

裁剪空间：clip space 裁剪矩阵，有一个视锥体决定摄像机可以看到的空间

投影矩阵的本质就是对xyz分量进行不同程度的缩放

屏幕空间

降维2d坐标
进行齐次除法
透视出发转化到NDC归一化的设备坐标

unity坐标旋向性