Unity3D學習筆記3——Unity Shader的初步使用
1. 概述
在上一篇文章《Unity3D學習筆記2——繪制一個帶紋理的面》中介紹了如何繪制一個帶紋理材質的面，并且通過調整光照，使得材質生效（變亮）。不過，上篇文章隱藏了一個很重要的細節——Unity Shader。Shader(著色器)是渲染管線中可被用戶編程的階段，依靠著色器可以控制渲染管線的細節。現代圖像渲染技術，都把Shader封裝成與Material(材質)相關的組件。所以這篇文章，我們就初步學習下在Unity中使用Shader。
2. 詳論
2.1. 創建材質
在上一章中，材質、以及材質相關的資源是在Unity3D編輯器中創建，在C#腳本中直接引用的。這里為了學習使用Shader，我們使用自定義的Shader，可以在C#腳本中創建材質。修改上一章代碼的材質部分：
Shader shader = Shader.Find("Custom/MainShader");
Material material = new Material(shader);
Texture2D texture = Resources.Load<Texture2D>("ImageDemo");
material.mainTexture = texture;
MeshRenderer meshRenderer = newGameObject.AddComponent<MeshRenderer>();
meshRenderer.material = material;
可以看到，要創建一個Material，首先得創建一個Shader。我們在Project視圖中右鍵菜單->Create->Standard Surface Shader，創建一個標準表面著色器MainShader：
雙擊打開這個Shader，可以看到這個Shader的具體內容。標準著色器很復雜，我們清空里面的內容，填入我們這個更簡單的著色器示例：
Shader "Custom/MainShader"
{
Properties
{
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
}
SubShader
{
Tags{"Queue" = "Geometry"}
Cull Back
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
sampler2D _MainTex;
//頂點著色器輸入
struct a2v
{
float4 position : POSITION;
float3 normal: NORMAL;
float2 texcoord : TEXCOORD0;
};
//頂點著色器輸出
struct v2f
{
float4 position: SV_POSITION;
float2 texcoord: TEXCOORD0;
};
v2f vert(a2v v)
{
v2f o;
o.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.position);
o.texcoord = v.texcoord;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
return tex2D(_MainTex, i.texcoord);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}
2.2. 著色器
Unity使用的著色器語言叫做ShaderLab，它是圖形渲染中Shader（例如GLSL，HLSL以及CG）的更高級更抽象一級的封裝。ShaderLab是個非常簡單的說明性描述語言，通過嵌套在花括號中的語義來描述Unity Shader文件。
2.2.1. 名稱
通過Shader語義指定Unity Shader的名稱：
Shader "Custom/MainShader"
{
}
這個名稱非常重要，在Unity編輯器中需要通過這個名字來引用Shader。
2.2.2. 屬性
Shader語義塊的第一個語義塊是Properties語義塊，它連接著材質和Unity3d編輯器，設置了這個屬性就能夠通過材質面板調整材質，調整材質的本質就是調整Shader。Properties的定義通常描述如下：
Properties {
Name ("display name"，PropertyType) = DefaultValue
}
Name指的是在Shader中使用的名稱，display name指的是顯示在材質面板的名稱。PropertyType則有點容易混淆，它指的是顯示在材質面板中的屬性類型，借用一下《Unity Shader入門精要》的圖表：
2.2.3. SubShader
每個Unity Shader都至少包含一個SubShader語義塊，Unity會優先選擇第一個能夠在當前平臺下運行的SubShader作為最終渲染效果的Shader。
這個語義塊下面又會包含三個語義塊：
2.2.3.1. 標簽(Tags)
SubShader的標簽用于用于標識何時以何種方式被渲染到渲染引擎，它由一系列鍵值對組成。Queue是最常用的標簽，用于標識渲染物體在渲染隊列中的位置：
我們這里，把這個渲染物體放到Geometry隊列中，這個位置通常放置不透明物體的渲染：
Tags{"Queue" = "Geometry"}
2.2.3.2. 渲染狀態(RenderSetup)
渲染狀態用于設置圖形硬件的各種狀態，例如是否應開啟 Alpha 混合或是否應使用深度測試等。在像OpenGL這樣的圖形接口中，通常是以函數的形式進行調用的，Unity3d將其放在Shader里面，也有一定的道理。
這里的渲染狀態設置成將背面裁剪掉：
Cull Back
2.2.3.3. 通道(Pass)
在Pass語義塊中，才是像OpenGL/DirectX中使用的Shader。OpenGL使用的著色器語言叫做GLSL，DirectX使用的著色器語言叫做HLSL，Unity3D則推薦使用Cg語言，這是一種類C語言，與HLSL非常相似。Cg語言代碼段在Pass語義塊中被包裹在CGPROGRAM和ENDCG之間：
CGPROGRAM
//...
ENDCG
2.2.4. 回退(FallBack)
FallBack定義了一種退化策略，由于不同機器支持的性能特性不同，如果之前的子著色器都不生效，那么就使用這個著色器，通常這個著色器是內置的：
FallBack "Diffuse"
2.3. 渲染管線
圖形渲染引擎的渲染管線其實是個內涵非常豐富的概念，再次借用《Unity Shader入門精要》的插圖，渲染管線的描述大致如下：
當然只看這個圖是不夠的，但是我們可以直接從代碼層面去了解它。鑲嵌在CGPROGRAM和ENDCG之間的CG代碼，體現的正是渲染管線的思維。
首先，通過編譯指令，分別指定頂點著色器程序和片元著色器程序：
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
vert就是頂點著色器的函數，在這個著色器程序中指定了計算了頂點坐標和紋理坐標：
v2f vert(a2v v)
{
v2f o;
o.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.position);
o.texcoord = v.texcoord;
return o;
}
傳入參數是一個結構體，POSITION，NORMAL，TEXCOORD0是Unity Shader中固定的語義，分別代表這位置、法向量以及紋理坐標，他們也被稱為頂點屬性。還記得在上一篇文章《Unity3D學習筆記2——繪制一個帶紋理的面》中創建Mesh時給Mesh創建的成員變量vertices、uv和normals吧？給他們傳入的數據正是在這里用到了。
//頂點著色器輸入
struct a2v
{
float4 position : POSITION;
float3 normal: NORMAL;
float2 texcoord : TEXCOORD0;
};
傳出參數則是另外一個結構體：
//頂點著色器輸出
struct v2f
{
float4 position: SV_POSITION;
float2 texcoord: TEXCOORD0;
};
SV_POSITION表示的是裁剪空間坐標，也就是在頂點著色器中計算的頂點值。這個計算內容的內涵也挺豐富的，簡單來說，創建Mesh時的頂點坐標，經過一個模型變換（Model）、視圖變換（View）、投影變換（Projection），最終變成了裁剪空間坐標系中的坐標，體現在著色器中，就是內置的MVP矩陣UNITY_MATRIX_MVP。
剩下的就是片元著色器函數的部分了。在這個著色器中，_MainTex也就是我們先前創建的，并且傳遞到材質中的紋理，通過將頂點著色器中傳遞過來的紋理坐標進行采樣，得到具體的片元顏色：
sampler2D _MainTex;
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
return tex2D(_MainTex, i.texcoord);
}
最終顯示的效果如下：
可以看到這里顯示的就是圖片本身的顏色，這是因為在著色器中只是采樣了圖片的顏色，并沒有光照計算的參與。也就是在圖形引擎中，任何效果的設置只是表象，任何效果的實現都會歸結到著色器中。
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