Unity ShaderLab学习总结

Why Bothers？  

为什么已经有ShaderForge这种可视化Shader编辑器、为什么Asset Store已经有那么多炫酷的Shader组件可下载，还是有必要学些Shader的编写？ 
 

• 因为上面这些Shader工具/组件最终都是以Shader文件的形式而存在。
• 需要开发人员/技术美术有能力对Shader进行功能分析、效率评估、选择、优化、甚至是Debug。
• 对于特殊的需求，可能还是直接编写Shader比较实际、高效。

总之，Shader编写是重要的；但至于紧不紧急，视乎项目需求。  


参考资源  

• Youtube：https://www.youtube.com/watch?v=hDJQXzajiPg （包括part1-6）。视频是最佳的学习方式没有之一，所以墙裂建议就算不看下文的所有内容，都要去看一下part1。
• 书籍：《Unity 3D ShaderLab开发实战详解》
• Unity各种官方文档

涉及范围  

本文只讨论Unity ShaderLab相关的知识和使用方法。但，  

• 既不讨论渲染相关的基础概念；基础概念可参考Rendering Pipeline Overview等文章。
• 作为移动设备GPU和桌面GPU的最大不同点，tile-based deferred rendering也是重要的概念。

也不讨论具体的渲染技巧。 

使用Shader  

 
如上图，一句话总结： 
1. GameObject里有MeshRenderer， 
2. MeshRenderer里有Material列表， 
3. 每个Material里有且只有一个Shader； 
4. Material在编辑器暴露该Shader的可调属性。 
所以关键是怎么编写Shader。  


Shader基础  



编辑器  

使用MonoDevelop这反人类的IDE来编写Shader居然是让人满意的。有语法高亮，无语法提示。 
如果习惯VisualStudio，可以如下实现.Shader文件的语法高亮。  

• 下载作者donaldwu自己添加的关键词文件usertype.dat。其包括了Unity ShaderLab的部分关键字，和HLSL的所有关键字。关键字以后持续添加中。
• 将下载的usertype.dat放到Microsoft Visual Studio xx.x\CommonX\IDE\文件夹下；
• 打开VS，工具>选项>文本编辑器>文件扩展名，扩展名里填“shader”，编辑器选VC++，点击添加；
• 重启VS，Done。

Shader  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" 
{ 
    // ... 
} 
 
Shader的名字会直接决定shader在material里出现的路径  


SubShader  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" { 
    SubShader 
    { 
        //... 
    } 
} 
一个Shader有多个SubShader。一个SubShader可理解为一个Shader的一个渲染方案。即SubShader是为了针对不同的显卡而编写的。每个Shader至少1个SubShader、理论可以无限多个，但往往两三个就足够。 
SubShader和显卡的兼容性判断，和SubShader的标签、Pass的标签和显卡支持的“Unity渲染路径”有关。这些都会在下面逐一提到。  


SubShader的Tag  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" { 
    SubShader 
    { 
        Tags { "Queue"="Geometry+10" "RenderType"="Opaque" } 
        //... 
    } 
} 
SubShader内部可以有标签（Tags）的定义。Tag指定了这个SubShader的渲染顺序（时机），以及其他的一些设置。  

• "Queue"标签。定义渲染顺序。预制的值为"Background"。值为1000。比如用于天空盒。
• "Geometry"。值为2000。大部分物体在这个队列。不透明的物体也在这里。这个队列内部的物体的渲染顺序会有进一步的优化（应该是从近到远，early-z test可以剔除不需经过FS处理的片元）。其他队列的物体都是按空间位置的从远到近进行渲染。
• "AlphaTest"。值为2450。已进行AlphaTest的物体在这个队列。
• "Transparent"。值为3000。透明物体。
• "Overlay"。值为4000。比如镜头光晕。
• 用户可以定义任意值，比如"Queue"="Geometry+10"

"RenderType"标签。Unity可以运行时替换符合特定RenderType的所有Shader。 Camera.RenderWithShader 或者 Camera.SetReplacementShader 配合使用。Unity内置的RenderType包括：

• "Opaque"：绝大部分不透明的物体都使用这个；
• "Transparent"：绝大部分透明的物体、包括粒子特效都使用这个；
• "Background"：天空盒都使用这个；
• "Overlay"：GUI、镜头光晕都使用这个；
• 还有其他可参考Rendering with Replaced Shaders；用户也可以定义任意自己的RenderType字符串。

"ForceNoShadowCasting"，值为"true"时，表示不接受阴影。"IgnoreProjector"，值为"true"时，表示不接受Projector组件的投影。 

Pass  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" { 
    SubShader { 
        Pass 
        { 
            //... 
        } 
    } 
} 
一个SubShader（渲染方案）是由一个个Pass块来执行的。每个Pass都会消耗对应的一个DrawCall。在满足渲染效果的情况下尽可能地减少Pass的数量。  


Pass的Tag  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" { 
    SubShader { 
        Pass 
        { 
            Tags{ "LightMode"="ForwardBase" } 
            //... 
        } 
    } 
} 
和SubShader有自己专属的Tag类似，Pass也有Pass专属的Tag。 
其中最重要Tag是 "LightMode"，指定Pass和Unity的哪一种渲染路径（“Rendering Path”）搭配使用。这里需要描述的Tag取值可包括：  

• Always，永远都渲染，但不处理光照
• ShadowCaster，用于渲染产生阴影的物体
• ShadowCollector，用于收集物体阴影到屏幕坐标Buff里。

其他渲染路径相关的Tag详见下面章节“Unity渲染路径种类”。 
具体所有Tag取值，可参考ShaderLab syntax: Pass Tags。  


FallBack  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{ 
    SubShader { Pass {} } 

    FallBack "Diffuse" // "Diffuse"即Unity预制的固有Shader 
    // FallBack Off //将关闭FallBack 
} 
当本Shader的所有SubShader都不支持当前显卡，就会使用FallBack语句指定的另一个Shader。FallBack最好指定Unity自己预制的Shader实现，因其一般能够在当前所有显卡运行。  


Properties  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" 
{ 
    Properties { 
    _Range ("My Range", Range (0.02,0.15)) = 0.07 // sliders 
    _Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color 
    _2D ("My Texture 2D", 2D) = "" {} // textures 
    _Rect("My Rectangle", Rect) = "name" { } 
    _Cube ("My Cubemap", Cube) = "name" { } 
    _Float ("My Float", Float) = 1 
    _Vector ("My Vector", Vector) = (1,2,3,4) 
    } 

    // Shader 
    SubShader{ 
        Pass{ 
          //... 
          uniform float4 _Color; 
          //... 
          float4 frag() : COLOR{ return fixed4(_Color); } 
          //... 
          } 
    } 

    //fixed pipeline 
    SubShader    { 
        Pass{ 
            Color[_Color] 
        } 
    } 
} 

• Shader在Unity编辑器暴露给美术的参数，通过Properties来实现。
• 所有可能的参数如上所示。主要也就Float、Vector和Texture这3类。
• 除了通过编辑器编辑Properties，脚本也可以通过Material的接口（比如SetFloat、SetTexture编辑）
• 之后在Shader程序通过[name]（固定管线）或直接name（可编程Shader）访问这些属性。

Shader中的数据类型  

有3种基本数值类型：float、half和fixed。 
这3种基本数值类型可以再组成vector和matrix，比如half3是由3个half组成、float4x4是由16个float组成。  

• float：32位高精度浮点数。
• half：16位中精度浮点数。范围是[-6万, +6万]，能精确到十进制的小数点后3.3位。
• fixed：11位低精度浮点数。范围是[-2, 2]，精度是1/256。

数据类型影响性能  

• 精度够用就好。颜色和单位向量，使用fixed
• 其他情况，尽量使用half（即范围在[-6万, +6万]内、精确到小数点后3.3位）；否则才使用float。

不要将低精度fixed类型转换为更高的精度，否则会产生性能问题。低精度fixed不要使用“swizzle”（即形如myFixed4.xyzw、myFixed2.xyxy，中文不知咋译，“搅和 
访问”？），否则会产生性能问题。

作者donaldwu说：swizzle在编写Shader里是经常用到的，但到底怎样才算swizzle？myFixed4.x算不算？myFixed4.xyzw算不算？myFixed4.xyxy算不算？还是都算？ 
这个目前没有找到 权威的定义，所以为了不要影响效率，建议fixed尽量不要出现上面任意一种形式。

Shader形态  



Shader形态之1：固定管线  

固定管线是为了兼容老式显卡。都是顶点光照。之后固定管线可能是被Unity抛弃的功能，所以最好不学它、当它不存在。特征是里面出现了形如下面Material块、没有CGPROGRAM和ENDCG块。  

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" 
{ 
    Properties { 
    _Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color 
    } 

    // Fixed Pipeline 
    SubShader 
    { 
        Pass 
        { 
            Material{ 
            Diffuse [_Color] 
            Ambient [_Color] 
            } 

            Lighting On 
        } 
    } 
} 


Shader形态之2：可编程Shader  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" 
{ 
    Properties {} 

    SubShader 
    { 
        Pass 
        { 
          // ... the usual pass state setup ... 

          CGPROGRAM 
          // compilation directives for this snippet, e.g.: 
          #pragma vertex vert 
          #pragma fragment frag 

          // the Cg/HLSL code itself 
          float4 vert(float4 v:POSITION) : SV_POSITION{ 
              return mul(UNITY_MATRIX_MVP, v); 
          } 
          float4 frag() : COLOR{ 
              return fixed4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); 
          } 
          ENDCG 
          // ... the rest of pass setup ... 
          } 
    } 
} 

• 功能最强大、最自由的形态。
• 特征是在Pass里出现CGPROGRAM和ENDCG块
• 编译指令#pragma。详见官网Cg snippets。其中重要的包括：

[td=1,1,1]编译指令[td=1,1,1]示例/含义[td=1,1,1]#pragma vertex name 
#pragma fragment name[td=1,1,1]替换name，来指定Vertex Shader函数、Fragment Shader函数。[td=1,1,1]#pragma target name[td=1,1,1]替换name（为2.0、3.0等）。设置编译目标shader model的版本。[td=1,1,1]#pragma only_renderers name name ... 
#pragma exclude_renderers name name...[td=1,1,1]#pragma only_renderers gles gles3， 
#pragma exclude_renderers d3d9 d3d11 opengl， 
只为指定渲染平台（render platform）编译

• 引用库。通过形如#include "UnityCG.cginc"引入指定的库。常用的就是UnityCG.cginc了。其他库详见官网Built-in shader include files。
• ShaderLab内置值。Unity给Shader程序提供了便捷的、常用的值，比如下面例子中的UNITY_MATRIX_MVP就代表了这个时刻的MVP矩阵。详见官网ShaderLab built-in values。
• Shader输入输出参数语义（Semantics）。在管线流程中每个阶段之间（比如Vertex Shader阶段和FragmentShader阶段之间）的输入输出参数，通过语义字符串，来指定参数的含义。常用的语义包括：COLOR、SV_Position、TEXCOORD[n]。完整的参数语义可见HLSL Semantic（由于是HLSL的连接，所以可能不完全在Unity里可以使用）。
• 特别地，因为Vertex Shader的的输入往往是管线的最开始，Unity为此内置了常用的数据结构：

[td=1,1,1]数据结构[td=1,1,1]含义[td=1,1,1]appdata_base[td=1,1,1]vertex shader input with position, normal, one texture coordinate.[td=1,1,1]appdata_tan[td=1,1,1]vertex shader input with position, normal, tangent, one texture coordinate.[td=1,1,1]appdata_full[td=1,1,1]vertex shader input with position, normal, tangent, vertex color and two texture coordinates.[td=1,1,1]appdata_img[td=1,1,1]vertex shader input with position and one texture coordinate.

Shader形态之3：SurfaceShader  


Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" 
{ 
    Properties {   } 

    // Surface Shader 
    SubShader { 
      Tags { "RenderType" = "Opaque" } 
      CGPROGRAM 
      #pragma surface surf Lambert 
      struct Input { 
          float4 color : COLOR; 
      }; 
      void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { 
          o.Albedo = 1; 
      } 
      ENDCG 
    } 
    FallBack "Diffuse" 
} 

• SurfaceShader可以认为是一个光照Shader的语法糖、一个光照VS/FS的生成器。减少了开发者写重复代码的需要。
• 在手游，由于对性能要求比较高，所以不建议使用SurfaceShader。因为SurfaceShader是一个比较“通用”的功能，而通用往往导致性能不高。
• 特征是在SubShader里出现CGPROGRAM和ENDCG块。（而不是出现在Pass里。因为SurfaceShader自己会编译成多个Pass。）
• 编译指令是： 
  #pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]surfaceFunction：surfaceShader函数，形如void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
• lightModel：使用的光照模式。包括Lambert（漫反射）和BlinnPhong（镜面反射）。也可以自己定义光照函数。比如编译指令为#pragma surface surf MyCalc在Shader里定义half4 LightingMyCalc (SurfaceOutput s, 参数略)函数进行处理(函数名在签名加上了“Lighting”）。
• 详见Custom Lighting models in Surface Shaders

你定义输入数据结构（比如上面的Input）、编写自己的Surface函数处理输入、最终输出修改过后的SurfaceOutput。SurfaceOutput的定义为 
struct SurfaceOutput { 
  half3 Albedo; // 纹理颜色值（r, g, b) 
  half3 Normal; // 法向量(x, y, z) 
  half3 Emission; // 自发光颜色值(r, g, b) 
  half Specular; // 镜面反射度 
  half Gloss; // 光泽度 
  half Alpha; // 不透明度 
}; 


Unity渲染路径（Rendering Path）种类  



概述  

开发者可以在Unity工程的PlayerSettings设置对渲染路径进行3选1：  

• Deferred Lighting，延迟光照路径。3者中最高质量地还原光照阴影。光照性能只与最终像素数目有关，光源数量再多都不会影响性能。
• Forward Rendering，顺序渲染路径。能发挥出Shader全部特性的渲染路径，当然也就支持像素级光照。最常用、功能最自由，性能与光源数目*受光照物体数目有关，具体性能视乎其具体使用到的Shader的复杂度。
• Vertex Lit，顶点光照路径。顶点级光照。性能最高、兼容性最强、支持特性最少、品质最差。

渲染路径的内部阶段和Pass的LightMode标签  

每个渲染路径的内部会再分为几个阶段。 
然后，Shader里的每个Pass，都可以指定为不同的LightMode。而LightMode实际就是说：“我希望这个Pass在这个XXX渲染路径的这个YYY子阶段被执行”。  


Deferred Ligting  

[td=1,1,1]渲染路径内部子阶段[td=1,1,1]对应的LightMode[td=1,1,1]描述[td=1,1,1]Base Pass[td=1,1,1]"PrepassBase"[td=1,1,1]渲染物体信息。即把法向量、高光度到一张ARGB32的 物体信息纹理 上，把深度信息保存在Z-Buff上。[td=1,1,1]Lighting Pass[td=1,1,1]无对应可编程Pass[td=1,1,1]根据Base Pass得出的物体信息，在屏幕坐标系下，使用BlinnPhong光照模式，把光照信息渲染到ARGB32的 光照信息纹理 上（RGB表示diffuse颜色值、A表示高光度）[td=1,1,1]Final Pass[td=1,1,1]"PrepassFinal"[td=1,1,1]根据 光照信息纹理 ，物体再渲染一次，将光照信息、纹理信息和自发光信息最终混合。LightMap也在这个Pass进行。

Forward Rendering  

[td=1,1,1]渲染路径内部子阶段[td=1,1,1]对应的LightMode[td=1,1,1]描述[td=1,1,1]Base Pass[td=1,1,1]"ForwardBase"[td=1,1,1]渲染：最亮一个的方向光光源（像素级）和对应的阴影、所有顶点级光源、LightMap、所有LightProbe的SH光源（Sphere Harmonic，球谐函数，效率超高的低频光）、环境光、自发光。[td=1,1,1]Additional Passes[td=1,1,1]"ForwardAdd"[td=1,1,1]其他需要像素级渲染的的光源 注意到的是，在Forward Rendering中，光源可能是像素级光源、顶点级光源或SH光源。其判断标准是：  

• 配制成“Not Important”的光源都是顶点级光源和SH光源
• 最亮的方向光永远都是像素级光源
• 配置成“Important”的都是像素级光源
• 上面2种情况加起来的像素级光源数目小于“Quality Settings”里面的“Pixel Light Count”的话，会把第1种情况的光源补为额外的像素级光源。

另外，配置成“Auto”的光源有更复杂的判断标注，截图如下：  
 
具体可参考Forward Rendering Path Details。  


Vertex Lit  

[td=1,1,1]渲染路径内部子阶段[td=1,1,1]对应的LightMode[td=1,1,1]描述[td=1,1,1]Vertex[td=1,1,1]"Vertex"[td=1,1,1]渲染无LightMap物体[td=1,1,1]VertexLMRGBM[td=1,1,1]"VertexLMRGBM"[td=1,1,1]渲染有RGBM编码的LightMap物体[td=1,1,1]VertexLM[td=1,1,1]"VertexLM"[td=1,1,1]渲染有双LDR编码的LightMap物体

不同LightMode的Pass的被选择  

一个工程的渲染路径是唯一的，但一个工程里的Shader是允许配有不同LightMode的Pass的。 
在Unity，策略是“从工程配置的渲染路径模式开始，按Deferred、Forward、VertxLit的顺序，搜索最匹配的LightMode的一个Pass”。 
比如，在配置成Deferred路径时，优先选有Deferred相关LightMode的Pass；找不到才会选Forward相关的Pass；还找不到，才会选VertexLit相关的Pass。 
再比如，在配置成Forward路径时，优先选Forward相关的Pass；找不到才会选VertexLit相关的Pass。