shader

参考：

http://docs.unity3d.com/Manual/SL-Reference.html

http://docs.unity3d.com/Manual/Built-inShaderGuide.html

http://docs.unity3d.com/Manual/Shaders.html

http://www.onevcat.com/2013/07/shader-tutorial-1/

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Shader大体上可以分为两类，简单来说

• 表面着色器（Surface Shader） - 为你做了大部分的工作，只需要简单的技巧即可实现很多不错的效果。类比卡片机，上手以后不太需要很多努力就能拍出不错的效果。
• 片段着色器（Fragment Shader） - 可以做的事情更多，但是也比较难写。使用片段着色器的主要目的是可以在比较低的层级上进行更复杂（或者针对目标设备更高效）的开发。

Shader "Custom/Diffuse Texture" {  
    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"
}

属性

在Properties{}中定义着色器属性，在这里定义的属性将被作为输入提供给所有的子着色器。每一条属性的定义的语法是这样的：

_Name("Display Name", type) = defaultValue[{options}]

• _Name - 属性的名字，简单说就是变量名，在之后整个Shader代码中将使用这个名字来获取该属性的内容
• Display Name - 这个字符串将显示在Unity的材质编辑器中作为Shader的使用者可读的内容
• type - 这个属性的类型，可能的type所表示的内容有以下几种：
  • Color - 一种颜色，由RGBA（红绿蓝和透明度）四个量来定义；
  • 2D - 一张2的阶数大小（256，512之类）的贴图。这张贴图将在采样后被转为对应基于模型UV的每个像素的颜色，最终被显示出来；
  • Rect - 一个非2阶数大小的贴图；
  • Cube - 即Cube map texture（立方体纹理），简单说就是6张有联系的2D贴图的组合，主要用来做反射效果（比如天空盒和动态反射），也会被转换为对应点的采样；
  • Range(min, max) - 一个介于最小值和最大值之间的浮点数，一般用来当作调整Shader某些特性的参数（比如透明度渲染的截止值可以是从0至1的值等）；
  • Float - 任意一个浮点数；
  • Vector - 一个四维数；
• defaultValue 定义了这个属性的默认值，通过输入一个符合格式的默认值来指定对应属性的初始值（某些效果可能需要某些特定的参数值来达到需要的效果，虽然这些值可以在之后在进行调整，但是如果默认就指定为想要的值的话就省去了一个个调整的时间，方便很多）。
  • Color - 以0～1定义的rgba颜色，比如(1,1,1,1)；
  • 2D/Rect/Cube - 对于贴图来说，默认值可以为一个代表默认tint颜色的字符串，可以是空字符串或者"white","black","gray","bump"中的一个
  • Float，Range - 某个指定的浮点数
  • Vector - 一个4维数，写为 (x,y,z,w)
• 另外还有一个{option}，它只对2D，Rect或者Cube贴图有关，在写输入时我们最少要在贴图之后写一对什么都不含的空白的{}，当我 们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。可能的选择有ObjectLinear, EyeLinear, SphereMap, CubeReflect, CubeNormal中的一个，这些都是OpenGL中TexGen的模式，具体的留到后面有机会再说。

所以，一组属性的申明看起来也许会是这个样子的

//Define a color with a default value of semi-transparent blue
_MainColor ("Main Color", Color) = (0,0,1,0.5)  
//Define a texture with a default of white
_Texture ("Texture", 2D) = "white" {}  

 现在看懂上面那段Shader（以及其他所有Shader）的Properties部分应该不会有任何问题了。接下来就是SubShader部分了。

 

Tags

表面着色器可以被若干的标签（tags）所修饰，而硬件将通过判定这些标签来决定什么时候调用该着色器。比如我们的例子中SubShader的第一句

Tags { "RenderType"="Opaque" }

告诉了系统应该在渲染非透明物体时调用我们。Unity定义了一些列这样的渲染过程，与RenderType是Opaque相对应的显而易见的是"RenderType" = "Transparent"，表示渲染含有透明效果的物体时调用。在这里Tags其实暗示了你的Shader输出的是什么，如果输出中都是非透明物体，那写在Opaque里；如果想渲染透明或者半透明的像素，那应该写在Transparent中。

另外比较有用的标签还有"IgnoreProjector"="True"（不被Projectors影响），"ForceNoShadowCasting"="True"（从不产生阴影）以及"Queue"="xxx"（指 定渲染顺序队列）。这里想要着重说一下的是Queue这个标签，如果你使用Unity做过一些透明和不透明物体的混合的话，很可能已经遇到过不透明物体无 法呈现在透明物体之后的情况。这种情况很可能是由于Shader的渲染顺序不正确导致的。Queue指定了物体的渲染顺序，预定义的Queue有：

• Background - 最早被调用的渲染，用来渲染天空盒或者背景
• Geometry - 这是默认值，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
• Transparent - 以从后往前的顺序渲染透明物体
• 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）

这些预定义的值本质上是一组定义整数，Background = 1000， Geometry = 2000, AlphaTest = 2450， Transparent = 3000，最后Overlay = 4000。在我们实际设置Queue值时，不仅能使用上面的几个预定义值，我们也可以指定自己的Queue值，写成类似这样："Queue"="Transparent+100"，表示一个在Transparent之后100的Queue上进行调用。通过调整Queue值，我们可以确保某些物体一定在另一些物体之前或者之后渲染，这个技巧有时候很有用处。

LOD

LOD很简单，它是Level of Detail的缩写，在这里例子里我们指定了其为200（其实这是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。在Unity的Quality Settings中我们可以设定允许的最大LOD，当设定的LOD小于SubShader所指定的LOD时，这个SubShader将不可用。Unity 内建Shader定义了一组LOD的数值，我们在实现自己的Shader的时候可以将其作为参考来设定自己的LOD数值，这样在之后调整根据设备图形性能 来调整画质时可以进行比较精确的控制。

• 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本体

前面杂项说完了，终于可以开始看看最主要的部分了，也就是将输入转变为输出的代码部分。为了方便看，请容许我把上面的SubShader的主题部分抄写一遍

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  

还是逐行来看，首先是CGPROGRAM。这是一个开始标记，表明从这里开始是一段CG程序（我们在写Unity的Shader时用的是Cg/HLSL语言）。最后一行的ENDCG与CGPROGRAM是对应的，表明CG程序到此结束。

接下来是是一个编译指令：#pragma surface surf Lambert，它声明了我们要写一个表面Shader，并指定了光照模型。它的写法是这样的

#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]

• surface - 声明的是一个表面着色器
• surfaceFunction - 着色器代码的方法的名字
• lightModel - 使用的光照模型。

所以在我们的例子中，我们声明了一个表面着色器，实际的代码在surf函数中（在下面能找到该函数），使用Lambert（也就是普通的diffuse）作为光照模型。

接下来一句sampler2D _MainTex;，sampler2D是个啥？其实在CG中，sampler2D就是 和texture所绑定的一个数据容器接口。等等..这个说法还是太复杂了，简单理解的话，所谓加载以后的texture（贴图）说白了不过是一块内存存 储的，使用了RGB（也许还有A）通道，且每个通道8bits的数据。而具体地想知道像素与坐标的对应关系，以及获取这些数据，我们总不能一次一次去自己 计算内存地址或者偏移，因此可以通过sampler2D来对贴图进行操作。更简单地理解，sampler2D就是GLSL中的2D贴图的类型，相应的，还 有sampler1D，sampler3D，samplerCube等等格式。

解释通了sampler2D是什么之后，还需要解释下为什么在这里需要一句对_MainTex的声明，之前我们不是已经在Properties里声明过它是贴图了么。答案是我们用来实例的这个shader其实是由两个相对独立的块组成的，外层的属性声明，回滚等等是Unity可以直接使用和编译的ShaderLab；而现在我们是在CGPROGRAM...ENDCG这样一个代码块中，这是一段CG程序。对于这段CG程序，要想访问在Properties中所定义的变量的话，必须使用和之前变量相同的名字进行声明。于是其实sampler2D _MainTex;做的事情就是再次声明并链接了_MainTex，使得接下来的CG程序能够使用这个变量。

终于可以继续了。接下来是一个struct结构体。相信大家对于结构体已经很熟悉了，我们先跳过之，直接看下面的的surf函数。上面 的#pragma段已经指出了我们的着色器代码的方法的名字叫做surf，那没跑儿了，就是这段代码是我们的着色器的工作核心。我们已经说过不止一次，着 色器就是给定了输入，然后给出输出进行着色的代码。CG规定了声明为表面着色器的方法（就是我们这里的surf）的参数类型和名字，因此我们没有权利决定 surf的输入输出参数的类型，只能按照规定写。这个规定就是第一个参数是一个Input结构，第二个参数是一个inout的SurfaceOutput 结构。

它们分别是什么呢？Input其实是需要我们去定义的结构，这给我们提供了一个机会，可以把所需要参与计算的数据都放到这个Input结构中，传入 surf函数使用；SurfaceOutput是已经定义好了里面类型输出结构，但是一开始的时候内容暂时是空白的，我们需要向里面填写输出，这样就可以 完成着色了。先仔细看看INPUT吧，现在可以跳回来看上面定义的INPUT结构体了：

struct Input {  
    float2 uv_MainTex;
};

作为输入的结构体必须命名为Input，这个结构体中定义了一个float2的变量…你没看错我也没打错，就是float2，表示浮点数的 float后面紧跟一个数字2，这又是什么意思呢？其实没什么魔法，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。比如下面的这些定义：

//Define a 2d vector variable
vec2 coordinate;  
//Define a color variable
float4 color;  
//Multiply out a color
float3 multipliedColor = color.rgb * coordinate.x;  

在访问这些值时，我们即可以只使用名称来获得整组值，也可以使用下标的方式（比如.xyzw，.rgba或它们的部分比如.x等等）来获得某个值。在这个例子里，我们声明了一个叫做uv_MainTex的包含两个浮点数的变量。

如果你对3D开发稍有耳闻的话，一定不会对uv这两个字母感到陌生。UV mapping的作用是将一个2D贴图上的点按照一定规则映射到3D模型上，是3D渲染中最常见的一种顶点处理手段。在CG程序中，我们有这样的约定，在一个贴图变量（在我们例子中是_MainTex）之前加上uv两个字母，就代表提取它的uv值（其实就是两个代表贴图上点的二维坐标 ）。我们之后就可以在surf程序中直接通过访问uv_MainTex来取得这张贴图当前需要计算的点的坐标值了。

如果你坚持看到这里了，那要恭喜你，因为离最后成功读完一个Shader只有一步之遥。我们回到surf函数，它的两有参数，第一个是Input， 我们已经明白了：在计算输出时Shader会多次调用surf函数，每次给入一个贴图上的点坐标，来计算输出。第二个参数是一个可写的 SurfaceOutput，SurfaceOutput是预定义的输出结构，我们的surf函数的目标就是根据输入把这个输出结构填上。 SurfaceOutput结构体的定义如下

struct SurfaceOutput {  
    half3 Albedo;     //像素的颜色
    half3 Normal;     //像素的法向值
    half3 Emission;   //像素的发散颜色
    half Specular;    //像素的镜面高光
    half Gloss;       //像素的发光强度
    half Alpha;       //像素的透明度
};

这里的half和我们常见float与double类似，都表示浮点数，只不过精度不一样。也许你很熟悉单精度浮点数（float或者 single）和双精度浮点数（double），这里的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，因此被大量使用。

在例子中，我们做的事情非常简单：

half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);  
o.Albedo = c.rgb;  
o.Alpha = c.a;  

这里用到了一个tex2d函数，这是CG程序中用来在一张贴图中对一个点进行采样的方法，返回一个float4。这里对 _MainTex在输入点上进行了采样，并将其颜色的rbg值赋予了输出的像素颜色，将a值赋予透明度。于是，着色器就明白了应当怎样工作：即找到贴图上 对应的uv点，直接使用颜色信息来进行着色，over。