Shader概述

什么是Shader

Shader（着色器）是一段能够针对3D对象进行操作、并被GPU所执行的程序。Shader并不是一个统一的标准，不同的图形接口的Shader并不相同。OpenGL的着色语言是GLSL， NVidia开发了Cg，而微软的Direct3D使用高级着色器语言（HLSL）。而Unity的Shader 是将传统的图形接口的Shader（由 Cg / HLSL编写）嵌入到独有的描述性结构中而形成的一种代码生成框架，最终会自动生成各硬件平台自己的Shader，从而实现跨平台。所以说Shaer其实就是一门语言，用来控制渲染的语言。

Shader种类

OpenGL和Direct3D都提供了三类着色器：

• 顶点着色器：处理每个顶点，将顶点的空间位置投影在屏幕上，即计算顶点的二维坐标。同时，它也负责顶点的深度缓冲（Z-Buffer）的计算。顶点着色器可以掌控顶点的位置、颜色和纹理坐标等属性，但无法生成新的顶点。顶点着色器的输出传递到流水线的下一步。如果有之后定义了几何着色器，则几何着色器会处理顶点着色器的输出数据，否则，光栅化器继续流水线任务。
• 像素着色器(Direct3D)，常常又称为片断着色器(OpenGL)：处理来自光栅化器的数据。光栅化器已经将多边形填满并通过流水线传送至像素着色器，后者逐像素计算颜色。像素着色器常用来处理场景光照和与之相关的效果，如凸凹纹理映射和调色。名称片断着色器似乎更为准确，因为对于着色器的调用和屏幕上像素的显示并非一一对应。举个例子，对于一个像素，片断着色器可能会被调用若干次来决定它最终的颜色，那些被遮挡的物体也会被计算，直到最后的深度缓冲才将各物体前后排序。
• 几何着色器：可以从多边形网格中增删顶点。它能够执行对CPU来说过于繁重的生成几何结构和增加模型细节的工作。Direct3D版本10增加了支持几何着色器的API, 成为Shader Model 4.0的组成部分。OpenGL只可通过它的一个插件来使用几何着色器。

光栅化是将一个图元转变为一个二维图像的过程。二维图像上每个点都包含了颜色、深度和纹理数据。将该点和相关信息叫做一个片元（fragment）。
光栅化的目的，是找出一个几何单元（比如三角形）所覆盖的像素。

image.png

左侧有三个片元（三个顶点），将其光栅化，其实就是计算显示这个三角形需要多少个像素

Unity Shader 分为 表面着色器（Surface Shader）和 顶点片段着色器（Vertex And Fragment Shader）：

• 表面着色器（Surface Shader）是Unity提出的一个概念。编写着色器与光照的交互是复杂的，光源有很多类型，不同的阴影选项，不同的渲染路径(正向和延时渲染)，表面着色器将这一部分简化。Unity建议使用表面着色器来编写和光照有关的Shader。
• 顶点片段着色器（Vertex And Fragment Shader）和OpenGL，Direct3D中的顶点着色器和片段着色器没有什么区别。顶点片段着色器比表面着色器使用更自由也更强大，当然光照需要自行处理。Unity也允许在里面编写几何着色器，一般用得不多。

在Unity中，顶点着色器是使用最为广泛的一种

Shader的结构

image.png

• 属性定义（Property Definition）：定义Shader的输入，这些输入可以在材质编辑的时候指定
• 子着色器（SubShader）：一个Shader可以有多个子着色器。这些子着色器互不相干且只有一个会在最终的平台运行。编写多个的目的是解决兼容性问题。Unity会自己选择兼容终端平台的Shader运行。
• 回滚（Fallback）：如果子着色器在终端平台上都无法运行，那么使用Fallback指定的备用Shader，俗称备胎。
• Pass：一个Pass就是一次绘制。对于表面着色器，只能有一个Pass，所以不存在Pass节。顶点片段着色器可以有多个Pass。多次Pass可以实现很多特殊效果，例如当人物被环境遮挡时还可以看到人物轮廓就可以用多Pass来实现。
• Cg代码：每个Pass中都可以包含自定义的Cg代码，从CGPROGRAM开始到ENDCG结束。

//Shader语法：
Shader "name" { [Properties] Subshaders [Fallback] [CustomEditor] }
 
//Properties 语法
Properties { Property [Property ...] }
 
// Subshader 语法
Subshader { [Tags] [CommonState] Passdef [Passdef ...] }
 
// Pass 语法
Pass { [Name and Tags] [RenderSetup] }
 
// Fallback 语法
Fallback "name"

Shader示例

基本的表面着色器

Shader "Custom/NewShader" {
        Properties {
            _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        }
        SubShader {
            Tags { "RenderType" = "Opaque" }
            LOD 200
 
            CGPROGRAM
            #pragma surface surf Lambert
 
            sampler2D _MainTex;
 
            struct Input {
                float2 uv_MainTex;
            };
 
            void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
                half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
                o.Albedo = c.rgb;
                o.Alpha = c.a;
            }
            ENDCG
        }
        FallBack "Diffuse"
    }

基本的顶点片段着色器

Shader "VertexInputSimple" {
  SubShader {
    Pass {
      CGPROGRAM
      #pragma vertex vert
      #pragma fragment frag
      #include "UnityCG.cginc"
 
      struct v2f {
          float4 pos : SV_POSITION;
          fixed4 color : COLOR;
      };
 
      v2f vert (appdata_base v)
      {
          v2f o;
          o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
          o.color.xyz = v.normal * 0.5 + 0.5;
          o.color.w = 1.0;
          return o;
      }
 
      fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { return i.color; }
      ENDCG
    }
  } 
}