【Unity Shaders】Shader学习资源和Surface Shader概述

写在前面

写这篇文章的时候，我断断续续学习Unity Shader半年了，其实还是个门外汉。我也能体会很多童鞋那种想要学好Shader却无从下手的感觉。在这个期间，我找到一些学习Shader的教程以及一些书籍。我整理在这篇博客里。

什么是Shader

Shader，也就是着色器，它的工作就是读取你的网格并渲染在屏幕上。Shader可以定义一些属性，你会用它来影响渲染模型时所显示的效果。当存储了这些属性的设置时，就是一个Material，材质。

Shader有以下几个种类：

• Surface Shaders —— 也称为表面着色器。这大概是Unity的骄傲。它去除了大部分“麻烦的工作”，可以适用于很多情况下
• Fragment Shaders —— 片段着色器。它允许你做更多的工作，但也更难写，而且它还让我们可以做低层的一些东西，像顶点光照，这对于移动设备和多个通道（passes）所必需的更高级的效果会非常有用。

Shader学习资料

Martin Kraus的Unity CG Wiki Book

Unity官网的Shader手册

NVidia的CG编程教程

CreativeTD的Surface Shaders系列视频教程

CgCookie的Shader初级视频教程

CgCookie的Shader中级视频教程

风雨冲的Shader教程系列

嘿嘿，当然还有我正在学的《Unity Shaders and Effects Cookbook》一书（专栏）。

以下将对Surface Shaders进行概述。其中主要参考了Unity Gems。

Shader管道

Shader的工作是把一系列几何图形变成2D屏幕上的像素颜色。一个Surface Shader看起来像这样：

但要注意，当你的函数退出之后，并不是得到像素的最终颜色，你还可以通过传递一个法线向量来影响光照。

Fragment Shaders也有类似的管道，但必须包含其中的Vertex Function，并在其中需要做大量的工作以为下一步像素颜色的计算做准备。而Surface Shaders则隐藏了这一步。

以上就是你的Surface Shaders的代码是如何被调用。Surface Shaders的代码需要看起来像这样：

总结一下就是：首先需要定义一些Properties，然后将有一个或多个Subshaders。使用的subshader将取决于所运行的平台。除此之外，还应该指定一个Fallback Shader，如果你的subshaders都不可以在目标设备上运行，那么就会调用这个备用Shader。

每个subshader都至少具有一个Pass，它读入数据处理后再输出数据。你可以使用这些passes执行不同的操作。例如，在Grab Pass中你可以捕捉到显示屏上已经呈现的像素。通过这种方法可以得到一些高级的屏幕效果。另外需要有多个passes的情况是，你需要处理不同的事情，像在创建效果的不同阶段写入或者忽略缓冲区。

当你编写一个Surface Shader时，是直接写在Subshader里面的。系统将会把你的代码编译成多个passes。

虽然着色器是写入到一个2D屏幕上，但是它也保持了每个像素距离摄像机的远近 —— 以此来避免后续渲染的对象在空间上位于已渲染对象的后面，但却覆盖了之前像素的情况出现。

你可以使用Pass中的语句来控制​​这个Z方向的缓存是否对你的着色器代码有影响，或者你的Shader是否写入该缓冲区内，例如： Zwrite Off表明不会更新你的任何输出像素的Z方向的缓存区。

您可以使用这种技术来在其他对象上打孔 —— 通过写入Z缓冲区，但不输出任何实际的像素颜色，那么使用这个Shader的模型背后的对象将不能被写入（因为Z缓冲区中有距离更近的像素了），这样看起来这个对象就像是被打了洞一样。

下面展示了一个最简单的Surface Shader：

下一次，将对上面代码中的几个部分分别做出说明：Properties，Tags，SubShader的结构，Input结构体，surf函数等。

理解Shader代码

接下来，我们将概要地解释Shader中各个部分的作用，进一步理解Shader。

Properties

由上面的代码可以看出，Shader的第一行指明了Shader的名字：“Example/Diffuse Texture”。紧跟着就是Shader的第一个重要组成部分，Properties{ }。我们可以在Properties里面定义一系列属性，这些属性被下面的SubShader所共享，它们可以让你在Unity的面板里直观地控制Shader变量，影响渲染结果。

这些属性的定义格式如下：

_Name ( "Displayed Name", type ) = default value {options}

• _Name：程序中引用的名字，和我们一般理解的变量名称是一样的。
• Displayed Name：这个字符串将会出现在Unity材质的编辑面板上。
• type：该属性的类型。Unity支持以下几种属性类型：
• Color：表示一个单一的RGBA颜色值；
• 2D： 表示一张大小为2的次方的纹理贴图，可以使用基于模型UV坐标来进行采样；
• Rect：表示一张纹理不是2的次方的纹理贴图；
• Cube：表示一个可用于反射的3D立方体映射贴图，可以进行采样；
• Range(min, max)：一个取值范围在min到max之间的浮点值；
• Float： 一个可以为任意值的浮点值；
• Vector：一个4维度的向量。
• default value：该属性的默认值。
• Color：使用浮点值表示的(r, g, b, a)，例如(1,1,1,1)；
• 2D/Rect/Cube：对于贴图类型的属性，默认值可以是一个空字符串，或者"white", "black", "gray", "bump"这样的字符串；
• Float/Range：在此范围内的值即可；
• Vector：以(x,y,z,w)形式表示的4D向量；
• { options }：只和纹理类型的2D、Rect和Cube相关，它必须至少被指定为{ }。你可以使用空格分隔多个选项，有如下选择：
• TexGen贴图生成模式：该纹理的自动纹理坐标生成模式。可以为ObjectLinear, EyeLinear, SphereMap, CubeReflect, CubeNormal。这些直接对应了OpenGL中的texgen modes。注意，如果你编写了一个顶点函数，那么可以忽略TexGen。

下面的实例展示了Properties的写法：

//Define a color with a default value of semi-transparent red
_MainColor ("Main Color", Color) = (1,0,0,0.5)
//Define a texture with a default of white
_Texture ("Texture", 2D) = "white" {}

注意，在定义属性时不需要在末尾添加分号";"。

Tags

我们的Surface Shader可以使用Tags进行装饰。这些Tags可以告诉硬件应该什么时候调用你的Shader。

在上述例子里，有：Tags { "RenderType" = "Opaque" }，该指令告诉系统在渲染Opaque几何图形时调用我们的Shader。Unity定义了一系列这样的队列。另一个常用的是"RenderType" = "Transparent"，这表明你的Shader可能会输出一些半透明或全透明的像素。

其他的tags也同样非常有用，例如"IgnoreProjector"="True"，这表明你的对象不会受投影和"Queue"="xxxx"的影响。

Queue tag可以指定何时渲染你的Shader，详情可参见这篇文章。

Shader结构

我们来看Shader下面的部分。

可以看出，这部分代码使用CG语言写的，它有点像C语言。你可以去查看Nvidia的文档去了解更多内容。这里将会进行简单的介绍。

其中很重要的变量为float类型和向量（vec）类型，这两种类型可以紧跟一个2、3或者4进行定义。这种类型在图形处理里面非常常见。

//Define a float variable
vec2 coordinate;
//Define a color variable
float4 color;
//Multiply out a color
float3 multipliedColor = color.rgb * coordinate.x;

我们可以使用.xyzw和.rgba符号访问存储在这些变量中的值（颜色、位置、法线等）。

我们还会遇到half和double类型。和字面表示的一样，这两种类型分别是普通float类型大小的一半和两倍。half通常被用于性能限制的情况下。还有一种类型是fixed，它表示固定小数的实数。

从Surface Shader输出信息

因此，每个像素都会调用我们的Surface Shader。系统在模型的每个面片上进行插值，为我们的输入结构设置了当前值。

surf函函数和下面类似：

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
    o.Albedo = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb;
}

显然，我们是为SurfaceOutput中的Albedo属性进行了设置。SurfaceOutput是Unity为我们定义的一种结构体，它的定义如下：

struct SurfaceOutput {
    half3 Albedo;      //The color of the pixel
    half3 Normal;     //The normal of the pixel
    half3 Emission;   //The emissive color of the pixel
    half Specular;     //Specular power of the pixel
    half Gloss;         //Gloss intensity of the pixel
    half Alpha;         //Alpha value for the pixel
};

我们只需要填充上述成员变量，Unity在自动生成passes时会自行判断如何使用它们。

下面我们来解释Shader代码中最关键的部分。

首先，是surf函数的输入参数Input结构：

struct Input {
    float2 uv_MainTex;
};

只需要通过Input结构体，我们就可以告诉系统，为当前正在处理的像素得到在MainTex中对应的纹理坐标。如果不止一张纹理，例如还有一张_OtherTexture，我们只需要添加如下代码：

struct Input {
    float2 uv_MainTex;
    float2 uv_OtherTexture;
};

如果对于这种纹理，我们需要第二组uv坐标，可以添加如下代码：

struct Input {
    float2 uv_MainTex;
    float2 uv2_OtherTexture;
};

Input结构体通常包含了所有贴图的uv或uv2坐标。但是，如果我们的Shader比较复杂，并且需要了解像素渲染的其他信息，我也就可以通过将其包括在Input结构体中来要求得到这些变量。

• float3 viewDir：视角方向，用于计算视差效果和边缘照明等；
• 使用COLOR语义的float4：包含了插值后的逐顶点颜色；
• float4 screenPos：屏幕空间中的位置；
• float3 worldPos：世界空间中的位置；
• float3 worldRefl：如果Surface Shader没有改写o.Normal，将包含了环境反射向量；
• float3 worldNormal：如果Surface Shader没有改写o.Normal，将包含了环境法线向量；
• INTERNAL_DATA：当我们需要改写o.Normal时，一些函数，如WorldNormalVector等，需要该变量进行计算；

最后，我们来解释下面这句话：

Sampler2D _MainTex;

对于Properties中定义的每一个属性，你都需要在CG程序中声明一个变量来访问它。而且该变量和属性的名称必须完全一样。

当该属性是一张文字，而你需要在Input结构中得到对应的uv坐标时，uv或者uv2后面的名称也必须和属性名相同。

在上图中，_MainTex对应了一张纹理贴图，它对应的变量类型就是sampler2D类型，只要得到了一个uv坐标，我们就可以在贴图上进行采样得到颜色值。

surf函数中仅用了一个函数：

o.Albedo = tex2d( _MainTex, IN.uv_MainTex).rgb;

它使用Input中得到的该像素对应的_MainTex中的uv坐标，在_MainTex进行采样，得到一个float4类型的颜色值（包括了透明通道）。如果我们需要得到透明通道的值，可以这样做：

float4 texColor = tex2d( _MainTex, IN.uv_MainTex );
o.Albedo = texColor.rgb;
o.Alpha = texColor.a;

总结

呼呼呼，本文主要介绍了Unity中Shader的两种主要类型，并对其他的一种类型Surface Shader做了一个初步的概述。希望通过本文，大家可以有一个大概的认识，当然，深入的学习和理解还有很长的一段路要走啊。