Unity ShaderLab学习总结

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：

编译指令	示例/含义
#pragma vertex name #pragma fragment name	替换name，来指定Vertex Shader函数、Fragment Shader函数。
#pragma target name	替换name（为 2.0 、 3.0 等）。设置编译目标shader model的版本。
#pragma only_renderers name name ... #pragma exclude_renderers name name...	#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

。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：

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

渲染路径内部子阶段	对应的LightMode	描述
Base Pass	"PrepassBase"	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。
Lighting Pass	无对应可编程Pass	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）
Final Pass	"PrepassFinal"	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

渲染路径内部子阶段	对应的LightMode	描述
Base Pass	"ForwardBase"	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。
Additional Passes	"ForwardAdd"	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

渲染路径内部子阶段	对应的LightMode	描述
Vertex	"Vertex"	渲染无LightMap物体
VertexLMRGBM	"VertexLMRGBM"	渲染有RGBM编码的LightMap物体
VertexLM	"VertexLM"	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。