初识Shader

HLSL

高阶着色器语言（High Level Shader Language，简称HLSL），由微软拥有及开发的一种语言，HLSL 独立的工作在 Windows 平台上，只能供微软的Direct3D使用。 HLSL是微软抗衡GLSL的产品，同时不能与OpenGL标准兼容。

GLSL

OpenGL着色语言（OpenGL Shading Language）是用来在OpenGL中着色编程的语言，也即开发人员写的短小的自定义程序，他们是在图形卡的GPU （Graphic Processor Unit图形处理单元）上执行的，代替了固定的渲染管线的一部分，使渲染管线中不同层次具有可编程性。

图片2.png

CG

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GPU语言

由于GPU采用不同于CPU的运行运算结构，因此需要一种适用于GPU的编程语言。
1、微软基于Direct3D图形库的HLSL(High Level Shading Language)
2、OpenGL ARB定义基于OpenGL图形库的GLSL(OpenGL Shading Language)
3、NVIDIA（英伟达）与微软合作研发的Cg(C for Graphics).

Cg能够同时兼容Direct3D和OpenGL图形接口。

Unity所有的渲染都需要shader来完成，内置的着色器超过80个，可以轻松利用其内置的着色器来完成各种画面效果，并且还提供了自定义shader,方便扩展。Unity使用shaderLab开发语言来组织shader内容，并会针对不同的平台进行编译，类似微软的FX文件或者NAIDIA的CgFX.

Shader，可以分为VertexShader 和PixelShader/FragmentShader两部分,简称VS,PS。学名顶点着色器和像素着色器。一旦你使用了VS和PS,则渲染过程会将VB(顶点缓冲)的数据按照IB索引(顶点索引缓冲)将每个顶点结构值分量传入VS，VS进行相应的计算和顶点变化，并将VS返回的结果再交由PS进行像素着色,输出相应的图像。概念上来说 FragmentShader会比PixelShader大很多..
这两个东西由于DX用PixelShader的缘故，其实是一个东西

Unity中可以编写3种不同的着色器：表面着色器（Surface Shader）、顶点和片段着色器（Vertex and Fragment Shaders）和固定功能管线着色器（Fixed Function Shaders）.
Unity5.0,内建了基于物理渲染的StandardShader,同时还引入了完全延迟着色(FullDeferredRendering)和烘焙反射探头（Baked Reflection Probes）用于以真实环境为基础的镜面高光

物理着色：PBS (physically Based Shading)：新的工业标准，用于电影产品
遵从了Conservation of Energy(能量守恒定律)，只有这样才能够正真让场景里面的光源依据能量传递的方式，产生一种自然和谐的光照效果。

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Standard Surface Shader (Instanced)：标准表面材质(实例化)
Unlit Shader：未点燃的材质
Image Effect Shader：图像效果材质
Compute Shader：计算着色器
Shader Variant Collection：着色器变量集合

内建Shader介绍

4.X版本提供超过80个内建Shader、包括顶点光照效果到高光、发现、反射等游戏常用的材质效果。

内建Shader分类：
普通（Normal）:用于不透明对象
透明(Transparent)：用于半透明和全透明对象
透明镂空效果(TransparentCutOut)：用于完全透明和完全不透明部分组成（不含半透明部分）的对象，像栅栏一样。
自发光(Self-llluminated shader Family):用于能反射环境立方体贴图的不透明对象
反射(Reflective Shader Family):用于能反射环境立方体贴图的不透明对象

每个类别下包含若干复杂性各异的shader

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以光照效果计算开销从低到高排序：
Unlit : 仅使用纹理，不受光照影响
VertexLit:顶点光照
Diffuse:漫发射
Specular: 在漫反射基础上增加高光计算
Nomal Mapped : 法线贴图，增加了一张法线贴图和几个着色器指令。
Nomal Mapped Specular : 带高光法线贴图
Parallax Nomal Mapped : 视差法线贴图，增加了视差贴图计算开销
Parallax Nomal Mapped ：带高光视差法线贴图

5.X版本新增加了一种基于物理着色的内建着色器，即StandardShader(标准着色器)
物理着色：PBS (physically Based Shading)：新的工业标准，用于电影产品
遵从了Conservation of Energy(能量守恒定律)，只有这样才能够正真让场景里面的光源依据能量传递的方式，产生一种自然和谐的光照效果。

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StandardShader是基于物理的着色器，也就是说不管你选择什么样的贴图都会与光照产生反应，这些贴图可以是同一张图片，Unity会使用必要的资源进行计算。

原理：
遵从了Conservation of Energy(能量守恒定律)，只有这样才能够正真让场景里面的光源依据能量传递的方式，产生一种自然和谐的光照效果。
表面反射的光线不会比它们收到的更多
光滑的表面会有更强的反射
醋糟的表面反射会更弱一些
高光强度会随着漫反射的强度而改变
所有的表面从某一特定角度看上去会有或多或少的高光
所有的表面在掠射角会有更多的反射

图片3.png 能量守恒：光能=漫反射+反射+折射

编写自己的Shader(详细解答Shader的各种属性及用法)

Shader "Custom/firstsharder" {//这里是Shader的名字
    Properties {//着色器属性
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        //在输入贴图时候,必须要写一个什么都不含的{}
        //需要打开特定选项时可以把其写在这对花括号内.
        //如果需要同时打开多个选项,可以使用空白分隔
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }

    SubShader {
    //表面着色器可以被若干的标签（tags）所修饰
    //硬件将通过判定这些标签来决定什么时候调用该着色器
        Tags { "RenderType"="Opaque" }//标签内部就是告诉系统渲染非透明的物体调用我们
        //Tags { "RenderType"="Transparent" }//渲染透明物体调用
        //Tags { "IgnoreProjector"="True" }//不被Projectors影响
        //Tags{ "ForceNoShadowCasting"="True" }//不产生阴影
        //指定渲染队列（下面有系统预设的队列）
        //Tags{ "Queue"="Geometry" }
        //Background--最早被调用的渲染,用来渲染天空盒或者背景
        //Geometry--默认值，用来渲染非透明物体（普通情况下，场景中的绝大多数物体应该是非透明的）
        //AlphaTest--用来渲染经过Alpha Test的像素,单独为AlphaTest设定一个Queue是出于对效率的考虑
        //Overlay--用来渲染叠加的效果,是渲染的最后阶段(比如镜头光晕等特效)
        //Transparent--以从后往前的顺序渲染透明物体

        //预设的队列本质就是定义的整数（有点像枚举值）
        //Background=1000,Geometry=2000,AlphaTest=2450
        //Transparent=3000,最后Overlay=4000

        //如何自定义列表
        Tags{ "Queue"="Transparent+100" }//通过调用Queue值，确保渲染的先后顺序

        //Unity的内建Diffuse着色器的设定值，这个数值决定了我们能用什么样的Shader
        //这个数值可以在unity中的质量设定中设定
        LOD 200//着色器的设定值
        //关于VertexLit及其系列 = 100
        //Decal, Reflective VertexLit = 150
        //Diffuse = 200
       //Diffuse Detail, Reflective Bumped Unlit, Reflective Bumped VertexLit = 250
      //Bumped, Specular = 300
      //Bumped Specular = 400
     //Parallax = 500
     //Parallax Specular = 600


        //Shader字体：也就是将输入转变成输出的代码部分
        CGPROGRAM//开始CG语言的编写
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
        //surface：申明的是一个表面着色器
        //surf:着色器代码的方法的名字,下方的代码有这个函数
        //Standard:标准
        //fullforwardshadows:光照模型
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0
        //在CG中，sampler2D就是和texture所绑定的一个数据容器接口
        //其实就是内存存储的RGB通道，sampler2D：就是GLSL中的2D贴图的类型
        //其他类型：sampler1D,sampler3D,samplerCube
        // 图片
        sampler2D _MainTex;
        // 用来获取MainTex的UV信息
        struct Input {
            float2 uv_MainTex;//float2:浮点数的float后面紧跟一个数字2
            vec2 coordinate;//float和vec都可以在之后加入一个2到4的数字，来表示被打包在一起的2到4个同类型数
            float4 color;
        };

        half _Glossiness;//half指的是半精度浮点数,精度最低，运算性能相对比高精度浮点数高一些
        half _Metallic;
        // 颜色属性
        fixed4 _Color;
        // SurfaceOutputStandard 表面着色器输出一个标准的结构体
        //着色器的工作核心，着色器就是给定了输入，然后给出输出进行着色的代码，第一个参数是Input结果，第二个参数是一个inout的SurfaceOutput结构
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
            // Albedo comes from a texture tinted by color
            // 获取图片 * 我们选定的颜色
            //fixed4：定点书：整形数据类型，作用就是把所有数进行转换，得到相应类型的整形表达
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            // 输出的像素的颜色 = 图像的颜色（RGB）
            o.Albedo = c.rgb;
            // Metallic and smoothness come from slider variables
            // 输出的颜色效果（金属方面） = 设定的金属值
            o.Metallic = _Metallic;
            // 输出的光滑粗糙程度 = 设置的光滑粗燥程度
            o.Smoothness = _Glossiness;
            // 输出的透明通道 = 图像的透明通道
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG//结束CG语言的编写
    }
    FallBack "Diffuse"
}

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参考

https://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaderExamples.html
https://onevcat.com/2013/08/shader-tutorial-2/
http://www.tuicool.com/articles/JvYJ3em
http://www.itnose.net/detail/6143450.html

CG语言基础知识：

内置元类型
Float : 32bit浮点类型
Half: 16bit浮点
Int : 32bit整形
Fixed : 12bit定点
Bool ： 布尔值
Sampler:纹理对象的句柄
String：不是每个都支持

cg提供内置的向量数据类型(build-in vector data types)
float1、float4，
bool2, bool3，
float1x1
float2x3
类型转换跟C是一样的，用强制转化。
类型定义的时候可以在常量后跟后缀，如2.0f，1.0h，3x。目前值有f，h，x（fixed）三种。

支持类型
1、数组
float a[10];
float4 b[10];
int length = a.length; //获取长度，上面两个返回都是10

float b[2][3] = { { }, { } };
int length1 = b.length; // length1 = 2;
int length2 = b[0].length; // length = 3;

2、结构
以struct开始，紧跟名字，内容用{}；包住。不要忘记最后的分号。
结构中可以带function，是C++中的用法。
结构不支持继承。

3、特定关键字
in , out , inout,
uniform (被修饰的变量从外部传入), const ,
4、输入语义关键字
Vertex Shader的输入：

POSITION, NORMAL, BINORMAL, BLENDINDICES, BLENDWEIGHT, TANGENT, PSIZE, TEXCOORD0 ~ TEXCOORD7

如：in float4 modelPos: POSITION

Vertex Shader的输出, 也就是Pixel Shader的输入
POSITION, PSIZE, FOG，COLOR0 ~ COLOR1, TEXCOORD1 ~ TEXCOORD7
Pixel Shader的输出：

COLOR

5、入口函数
通过观察程序的输入输出语义绑定，就可以区分入口函数对应到顶点程序还是片段程序。

6、内置函数库
reflect 求发射向量
refract 求折射向量
mul 矩阵相乘
normalize 归一化

CG语言的学习资料：

http://blog.csdn.net/liu_lin_xm?viewmode=contents
https://developer.nvidia.com/cg-toolkit