Unity Shader简介

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Shader，中文名为着色器，对很多开发者来说它是一个神秘的存在，想学但是又不知道如何去学，或者学了一段时间发现Get不到它的点，始终感觉游离在外，无法开窍。

本文来讲下如何从零基础入门Shader，目的在于让初学Shader的程序或者美术可以快速进入这个丰富多彩的世界。
对惹，这里有一个游戏开发交流小组，希望大家可以点击进来一起交流一下开发经验呀~

• 什么是Shader
  

Shader其实就是专门用来渲染图形的一种技术，通过shader，我们可以自定义显卡渲染画面的算法，使画面达到我们想要的效果。小到每一个像素点，大到整个屏幕，比如下面这两个游戏内比较常见的效果。

• Shader分类
  

顶点Shader（3D图形都是由一个个三角面片组成的，顶点Shader就是计算每个三角面片上的顶点，并为最终像素渲染做准备）。
像素Shader，顾名思义，就是以像素为单位，计算光照、颜色的一系列算法。
几个不同的图形API都有各自的Shader语言，在DirectX中，顶点shader叫做 Vertex Shader ，像素Shader叫做 Pixel Shader； 在OpenGL中，顶点Shader也叫做 Vertex Shader ，但像素Shader叫做 Fragment Shader，也就是我们常说的片断Shader或者片元Shader。
说白了，Shader其实就是一段代码，这段代码的作用是告诉GPU具体怎样去绘制模型的每一个顶点的颜色以及最终每一个像素点的颜色。

• Shader编程语言
  

既然Shader是一段代码，那必然要用一种语言来书写它，目前主流的有三种语言：
基于OpenGL的OpenGL Shading Language，简称GLSL。
基于DirectX的High Level Shading Language,简称HLSL。
还有NVIDIA公司的C for Graphic，简称Cg语言。
GLSL与HLSL分别是基于OpenGL和Direct3D的接口，两者不能混用。而Cg语言是用于图形的C语言，这其实说明了当时设计人员的一个初衷，就是让基于图形硬件的编程变得和C语言编程一样方便，自由。正如C++和 Java的语法是基于C的，Cg语言本身也是基于C语言的。如果您使用过C、C++、Java其中任意一个，那么Cg的语法也是比较容易掌握的。Cg语言极力保留了C语言的大部分语义，力图让开发人员从硬件细节中解脱出来，Cg同时拥有高级语言的好处，如代码的易重用性，可读性高等。
Cg语言是Microsoft和NVIDIA相互协作在标准硬件光照语言的语法和语义上达成了一致，所以，HLSL和Cg其实是同一种语言。
一般来说为了跨游戏平台方便，一般学CG语言。

• 什么是Unity Shader
  

显卡有NVIDIA、ATI、Intel等等。
图形API有OpenGL、DirectX、OpenglES、Vulkan、Metal等等。
Shader编程语言有GLSL、HLSL、Cg等等。
是不是有点头晕，该怎么去选择呢？在Unity中我们又应该如何做呢？
其实在Unity中反而一切变的简单起来了，我们只需关心如何去这实现我们想要的效果就好了，其余的事情全部交给Unity来自动处理。因为我们在Unity中编写的Shader最终会根据不同的平台来编绎成不同的着色器语言，那么我们在Unity中应该用什么语言来书写Shader呢？
官方的建议是用Cg/HLSL来编写，当然你也可以使用GLSL，主要是因为Cg/HLSL有更好的跨平台性，更倾向于使用Cg/HLSL来编写Shader程序。
Unity Shader严格来说并不是传统上的Shader，而是Unity自身封装后的一种便于书写的Shader，又称为ShaderLab。
在Unity中有3种Shader（其实就是三种不同的写法）：
Surface Shaders 表面着色器；
Vertex/Fragment Shaders 顶点/片断着色器；
Fixed Function Shaders 固定管线着色器；
其中Fixed Function Shaders已经被淘汰，完全没有学习的必要了。
Surface Shader其实就是Unity对Vertex/Fragment Shader的又一层包装，以使Shader的制作方式更符合人类的思维模式，同时可以以极少的代码来完成不同的光照模型与不同平台下需要考虑的事情。
但是Surface Shader也有它的局限性，就是Vertex/Fragment Shader能实现的效果，Surface Shader不一定能实现，反过来则成立，Surface Shader能实现的Vertex/Fragment Shader则一定可以实现。
并且在Unity2018后的版本中推出了Unity官方自己的可视化Shader工具（Shader Graph）。从生成的代码上来看，也全部是用的Vertex/Fragment Shader，那是不是可以理解为在今后的可编程渲染管线中，Unity自己也抛弃了Surface Shader，而全部采用了Vertex/Fragment Shader？
总之，在今后的学习过程中，也会涉及一些Surface Shader的内容，但主要还是会以Vertex/Fragment为主。
另外，学会Shader也会给我们带来很多的好处：
游戏中模型显示粉色的情况你一定碰到过吧，是Shader丢失呢，还是Shader不符合当前平台呢，又或者是Shader上有语法的错误呢？如果我们有了解并学会Shader的话，这些问题就不会再是一脸懵逼啦。
內建Unity Shader仅仅只是“通用”用例，不足以满足我们所有的画面表现需求。
一旦掌握Shader，可以为游戏/应用创造独一无二的视觉享受。根据实际需求，为游戏和应用实现特定功能的Shader。
能极大的帮助我们做渲染上的性能优化，因为通过Shader可以控制渲染什么以及如何渲染。
撰写Shader的能力对于游戏团队非常重要，掌握Shader技能的开发一直是炙手可热的职位。现在一个不争的事实就是，技术美术永远是各大厂商的稀缺资源。

• Shader核心知识
  
• 渲染管线
  

又叫渲染流水线，是显示芯片内部处理图形信号相互独立的并行处理单元。一个流水线是一序列可以并行和按照固定顺序进行的阶段，遵循着前入后出的流程。类比来说，就像是一个工厂，同时生产宝马和宾利两种汽车，这两款汽车的每个零件又是同时制作的，就可以说这个车间内有两个不同的渲染管线。



根据上图进行说明。3D软件或是游戏在运行的时候，会调用图形API，OpenGL或者是DirectX。而顶点着色器和片段着色器就在图中GPU运算框选部产生作用。



上图就是针对到unity引擎中。Geometry部分可以理解为建模，这个过程就是把Mesh数据导入到unity之中，unity引擎再调用图形API，而调用图形API的过程就是在驱动GPU进行处理运算。
进入到GPU后，首先进行的是顶点处理程序（Vertex Processor）对应顶点shader，顶点运算的结果会传递给像素处理器（Pixel Processor相当于片段处理器），其对应的便是像素shader（也就是片段shader），最后输出可以在屏幕上显示的像素信息，即Frame Buffer（帧缓冲），Frame Buffer不仅可以储存颜色信息还可以储存深度值。

• shader  材质  贴图
  

着色器实际就是一小段程序，他负责将输入的顶点数据以指定的方式和输入的贴图或者颜色等组合起来，然后进行输出。绘图单元可以以及这个输出来将图像绘制到屏幕上。
输入的贴图或者颜色等，加上对应的shader，以及对shader的特定的参数设置，将这些内容（shader及输入参数）打包储存在一起，得到的就是一个Material（材质），这些包里其实还有其他东西比如向量、矩阵。之后，我们便将材质赋予到三维模型上进行渲染（输出）了。



材质，就像是游戏引擎最终使用的商品，shader就好比是生产这种商品的加工方法，而贴图则是这商品的原材料。如果我们不用Unity或是其他引擎的话，实现材质就需要利用OpenGL或是DirectX的API的调用，手动组织出个shader，这样就很麻烦，所以引擎提供了便捷。

• unity中shader的编写形式
  

有三种：surface shader  vertex and Fragment shader  fixed function shader。我们知道，硬件只识别顶点着色和片段着色，那么unity引擎中为何还会多出来一个surface shader（以下简称SS）和Fixed Function shader（以下简称FFS）呢。
对于FFS，主要是对于固定管线的硬件的操作，是特别保守的shader能得到绝大部分硬件的支持；而SS呢，是unity推荐用的，创建一个shader在unity中的时候，默认的代码就是SS。实际上SS是对顶点和片段着色器的一种“包装”，在SS编程后unity会将SS代码编译成硬件可识别的顶点和片段着色器代码
书写shader的主要结构：

• ShaderLab
  

ShaderLab是为unity定制的专门用于编写Shader的语法，可以容纳其他三种shader。
shaderLab的主要结构：



花括号内的三个部分：Properties,Subshaders,Fallback。
什么是Properties呢，属性。我们在unity中新建一个材质球和一个shader，打开编译器将shader命名为“111”，再将111shader拖拽给材质球，再点击材质球观察其显示与代码中Properties的内容。我们发现，shader编程中的Properties（属性）会让拥有该shader的材质球的属性以列表的形式显示出来，进行参数调节。



subshader是啥呢，算法，就是写给GPU渲染的shader片段了，这里记住，一个shader当中至少有一个subshader。每一次显卡进行处理的时候呢，只能选择其中一个subshader去执行。那为什么会有多个subshader呢？这和硬件有关。
在读取shader的时候，会先从第一个subshader读取，如果第一个能适配当前硬件，就不会往下读了；如果硬件太老跟不上，第一个读取不了，就会读取第二个看能不能与我适配。也就是说，subshader的所有方案会向下简化。如果这些列举的subshader都用不了怎么办？那就是第三个Fallback了。
FallBack就是在subshader都用不了的时候可以回滚到指定的unity中一个都能适配的shader。unity常用的内建shader的如下：