Unity Shader 入门教程：从零开始编写你的第一个 Shader

Unity Shader 入门教程：从零开始编写你的第一个 Shader

引言

Shader 是游戏开发中不可或缺的一部分，它决定了物体在屏幕上的最终呈现效果。对于游戏程序爱好者来说，掌握 Shader 编写技能可以让你在游戏开发中拥有更大的自由度，创造出更加炫酷的视觉效果。本教程将带你从零开始，学习如何在 Unity 中编写 Shader，并最终实现一个简单的自定义 Shader。

1. Shader 基础概念

1.1 什么是 Shader？

Shader 运行在 GPU ，用于控制渲染管线中的某些阶段。它决定了物体表面的颜色、光照、阴影等视觉效果。Shader 通常分为以下几种类型：

• 顶点 Shader（Vertex Shader）：处理每个顶点的位置、法线等信息。
• 片段 Shader（Fragment Shader）：处理每个像素的颜色、光照等。
• 几何 Shader（Geometry Shader）：处理几何图元的生成和变换。
• 计算 Shader（Compute Shader）：用于通用计算任务。

1.2 Shader 语言：HLSL、GLSL、CG

Unity 使用 HLSL（High-Level Shading Language）作为 Shader 的主要编程语言。HLSL 是微软为 DirectX 开发的高级着色语言，语法类似于 C 语言。Unity 还支持 GLSL（OpenGL Shading Language）和 CG（C for Graphics），但 HLSL 是最常用的。

1.3 Unity 中的 Shader 类型

在 Unity 中，Shader 通常以 .shader 文件的形式存在。Unity 提供了几种不同的 Shader 类型：

• Surface Shader：Unity 提供的一种高级抽象，适合编写基于物理的渲染（PBR）效果。
• Unlit Shader：不依赖于光照的 Shader，适合 UI、特效等。
• Image Effect Shader：用于后处理效果的 Shader。
• Compute Shader：用于通用计算的 Shader。

2. 编写第一个 Shader

2.1 创建 Shader 文件

在 Unity 中，右键点击 Assets 文件夹，选择 Create > Shader > Unlit Shader，创建一个新的 Unlit Shader 文件。将其命名为 MyFirstShader.shader。

2.2 Shader 的基本结构

打开 MyFirstShader.shader 文件，你会看到如下代码：

Shader "Unlit/MyFirstShder"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // make fog work
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                UNITY_FOG_COORDS(1)
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // sample the texture
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                // apply fog
                UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

2.3 代码解析

• Properties：定义了 Shader 的属性，可以在 Unity Inspector 面板中调整。这里定义了一个 _MainTex 纹理属性。
• SubShader：包含一个或多个 Pass，每个 Pass 代表一次渲染过程。
• Pass：包含顶点 Shader 和片段 Shader 的代码。
• CGPROGRAM：标记 Shader 代码的开始，使用 HLSL 编写。
• vert：顶点 Shader，处理顶点位置和 UV 坐标。
• frag：片段 Shader，处理像素颜色。

2.4 修改 Shader

让我们修改这个 Shader，使其显示一个简单的颜色渐变效果。将 frag 函数修改为如下代码：

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    fixed4 col = fixed4(i.uv.x, i.uv.y, 0, 1);
    return col;
}

这里，我们将 UV 坐标的 x 和 y 分量分别作为红色和绿色通道的值，蓝色通道固定为 0，透明度为 1。

2.5 应用 Shader

在 Unity 中创建一个新的材质，将 MyFirstShader 赋值给该材质。然后将材质应用到一个 3D 物体上（如 Cube），你会看到物体表面出现了颜色渐变效果。

3. 进阶：添加光照效果

3.1 使用 Surface Shader

Surface Shader 是 Unity 提供的一种高级抽象，适合编写基于物理的渲染（PBR）效果。让我们创建一个简单的 Surface Shader。

在 Unity 中，右键点击 Assets 文件夹，选择 Create > Shader > Standard Surface Shader，创建一个新的 Surface Shader 文件。将其命名为 MySurfaceShader.shader。

3.2 修改 Surface Shader

打开 MySurfaceShader.shader 文件，你会看到如下代码：

Shader "Custom/MySurfaceShader"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0

        sampler2D _MainTex;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        half _Glossiness;
        half _Metallic;
        fixed4 _Color;

        // Add instancing support for this shader. You need to check 'Enable Instancing' on materials that use the shader.
        // See https://docs.unity3d.com/Manual/GPUInstancing.html for more information about instancing.
        // #pragma instancing_options assumeuniformscaling
        UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)
            // put more per-instance properties here
        UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
        {
            // Albedo comes from a texture tinted by color
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            // Metallic and smoothness come from slider variables
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

3.3 代码解析

• Properties：定义了颜色、纹理、光滑度和金属度等属性。
• surf：Surface Shader 的主函数，处理表面颜色、光照等信息。
• SurfaceOutputStandard：定义了标准光照模型的输出结构。

3.4 应用 Surface Shader

在 Unity 中创建一个新的材质，将 MySurfaceShader 赋值给该材质。然后将材质应用到一个 3D 物体上，你会看到物体表面具有了光照效果。

4. 总结

通过本教程，我们已经学会了如何在 Unity 中编写简单的 Shader，并理解了 Shader 的基本结构和语法。Shader 编程是一个深奥且有趣的领域，掌握它可以让你在游戏开发中创造出更加炫酷的视觉效果。
下一篇博客我们将继续学习Unity Shader的核心概念——坐标系、光照与纹理、UV映射等。

5. 进一步学习资源

• Unity Shader 官方文档
• Shader 编程入门书籍：《Unity Shader 入门精要》