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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.xCommonXIDE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。
- 颜色和单位向量，使用
- 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[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：
| 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
- 在Shader里定义
- 也可以自己定义光照函数。比如编译指令为
- 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。