unity shader的代码认识与编写（基础）

Zephus · 发表于 2021-11-28 22:20

01：认识最简单的shader代码
Shader &#34;Unlit/01minishader&#34;
{
Properties
{
      _MainTex (&#34;Texture&#34;, 2D) = &#34;white&#34; {}
}
SubShader
  {...}
}
这是一个简单shader的基本结构根据两个模块进行构成，其中subshader是我们需要研究学习的模块，但在此之前，我们也需要明白subshader模块之上的是什么东西，
1.1 首先就是shader第一行，指的是这个shader是创建于shader类别中的unlit（无光照）目录下面的一个shader名字是01minishader。再是我们的properties模块，这个模块是属性模块，连接了材质与unity shader。
一个通用的properties模块的样式如下：
properties{
   Name（&#34;display name&#34;,propertyType）=Defaultvalue
这样的格式是为了开发者，在材质编辑面板进行材质的编辑。name是属性的名字，通常这个属性名字由一个下划线展开，就比如_MainTex这个属性名字，而displayname自然就是在材质编辑面板上的名字，我们需要给这个属性确立它的类型，所以就有了property Type，在unity中常用的属性类型如下

再赋给一个值，比如这里的white
  那么我们就可以对这里的properties模块就可以进行解释了。
进行翻译为：现在属性Maintex属性，其中在材质面板上表现为texture（贴图）这个材质名字，它的属性类型是2D类型，再赋予一个初始值白色。材质与shader的联系就建立了。
1.2然后就是我们的大头任务，认识subshader

我们把shader分为了properties模块与subshader模块，我们也能把subshader模块进行细分为两个模块，一个是pass外，一个是pass内。    同上，我们对一个subshader的模板进行研究如下
SubShader {
／／可选的
[Tags]
／／可选的
[RenderSetup)
Pass {
}
// Other Passes
}
这个模板是什么意思呢？我们逐个研究，首先是tags（标签）， SubShader的标签(Tags)是一个键值对(Key/Value Pair), 它的键和值都是字符串类型。这些键值对是SubShader和渲染引擎之间的沟通桥梁。它们用来告诉Unity的渲染引擎：我希望怎样以及何时渲染这个对象。标签的结构如下：

显然通过对于tags的设置我们可以进行很多功能的选择。
那么rendersetup（状态设置）是什么呢？可以设置显卡的各种状态，  例如是否开启深度/混合测试。

了解了标签与渲染状态设置，我们开始重头戏，身为要写shader人的最重要的困难以及任务写pass。
我们先展开上面的pass语句，了解其中的内容。
Pass
      {
  CGPROGRAM
         #pragma vertex vert
         #pragma fragment frag
         // make fog work
         #pragma multi_compile_fog

         #include &#34;UnityCG.cginc&#34;

struct appdata
         {
            float4 vertex : POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;
         };

  struct v2f
         {
            float2 uv : TEXCOORD0;
            UNITY_FOG_COORDS(1)
            float4 vertex : SV_POSITION;
         };

         sampler2D _MainTex;
         float4 _MainTex_ST;

  v2f vert (appdata v)
         {
            v2f o;
            o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
            UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
            return o;
         }

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
         {
            // sample the texture
            fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
            // apply fog
            UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
            return col;
         }
         ENDCG
      }
}
}
这是我们的pass语句中的内容，和之前一样我们对模板进行研究。下面展开模板（翻译在subshader介绍完后进行）
1.3pass模板
pass{
{Name}
   {Tags}
{Rendersetup}
//other code
}
很容易发现我们对于subshaderpass中的内容要简单一些，因为里面也是标签，渲染状态设置，一样的内容。那么区别在哪里呢？
区别在于我们对于这个pass语句中的标签与渲染状态设置仅仅是对于这一个pass语句起作用，而pass外的则是对所有的pass。这个点会对我们进行不同问题不同渲染的时候尤其重要。
开始对于pass内的研究，首先让我们回忆上一文中我对于渲染管线的介绍。在cpu端将模型数据传递给gpu后，要对其先通过顶点shader进行变形，再用片元shader进行逐片元上色。这个过程在代码是怎么体现的呢？答案在pass语句内，让我们对其研究。（一个pass语句一个理解为一个gpu的渲染管线）
代码的框架：CGPROGRAM
                  {
                  }//这个括号代表之间存在东西。
                  ENDCG
什么意思呢？代表我们这个pass语句是cgshader编写语言书写的一个pass语句（hlsl，glsl，cg是三种编写shader的语言，本文不做阐述），那么了解这个框架后，我们开始正式写shader
通过对于渲染管线的了解后，我们会发现我们需要写两个shader，顶点shader（vertex shader）与片元shader（fragment shader），但是正式编写代码的时候，我们要尽量简化工作流，因此我们会#pragma vertex vert  与  #  pragma fragment frag，代表着我们的顶点shader已经被称呼为了vert，片元shader称呼为frag。方便进行后文代码的编写，实际编写过程中，名字是可以随意变化的，当然要被你同事看的懂（笑），  #pragma multi_compile_fog这个是unity帮助我们方便写shader的一个头文件，里面有许多函数与变量可以让我们使用。前期准备结束，shader编写开始：
                                                            第一步：拿到模型数据
                                                               第二步：进行空间变换
                                                            第三步：逐片元上色
1.3.1：拿到数据：
struct appdata//这个指的是拿到模型数据，appdata是这个输入结构体的名字
         {
            float4 vertex : POSITION;//拿到这个模型的顶点坐标
            float2 uv : TEXCOORD0;//拿到模型的uv
            float3 normal：NORMAL;//拿到模型的法线
            float4 color：COLOR;//拿到模型的顶点色
            //：后的都是特定的语义词，更多语义词可以上unity官方文档进行查看与使用，列举了常用的一些语义词

         };
我们有一个输入的结构体，拿到了模型的数据，那么经过顶点shader后，自然会产生一个不一样的数据，因此要写一个输出结构体
struct v2f//输出结构体
         {
            float2 uv : TEXCOORD0;//uv的输出

            float4 vertex : SV_POSITION;//顶点坐标的输出
         };
结构体的部分阐述到此，更多部分后续说明与补充，或者在官方文档进行个人研究。有了数据，那么就能开始写顶点shader与片元shader了。首先就是顶点shader
1.3.2：顶点shader（vertex shader）的编写:
v2f  vert(appdata v)//从appdata中拿到（u）v的数据进行传参数再输出（v2f）
{
v2f  a;//初始化输出数据为a
}
那么顶点shader之后的内容到底怎么写？这个涉及到顶点shader的作用，在笔者看来就是变化，从模型空间到世界空间再到相机空间再到裁剪空间（这就是mvp矩阵变换的作用地）（本文不做说明，后续进行mvp矩阵变化的数学原理以及在顶点shader中的具体原理），知道了原理，所以我们的任务就是写矩阵（笑，回到很多人不喜欢的数学部分，线性代数）
矩阵不想自己计算的话，可以到unity的官方文档研究官方提供的矩阵

有了矩阵，那么可以进行顶点shader的书写了
v2f  vert(appdata v)//从appdata中拿到（u）v的数据进行传参数再输出（v2f）
{
v2f  a;//初始化输出数据为a
   float4 pos_world=mul（_ObjectToWorld，v.vertex）；//mul指的是矩阵的乘法，v.vertex指的是向量的坐标点，从模型空间到世界空间
   float4 pos_view=mul(_MATRIX_V,pos_world);//从世界空间到相机空间
   float4 pos_cilp=mul(_MATRIX_P,pos_view);//从相机空间到裁剪空间
   a.pos=pos_cilp;//把裁剪空间的数据给与a
return  a；
}
顶点shader的书写也就完成了。其实是很简单的，那么片元shader也是一样书写。
1.3.3：片元shader的编写
float4 frag (v2f i) : SV_Target//片元shader输出的是一个颜色值，SV_Target是我们渲染的一个目标
{
return float4(0.4,0.5,0.1,1.0);//数字类比rgb值
}
到此一个简单的基本shader就写完了，并且可以实现用代码更改颜色等等功能。
1.4总结
一个简单的shader代码，对于开发者来说，最为重要的是其pass语句的编写，另外对一个TA来说，属性界面也尤其重要，学会用shader来让项目开发更加简单，给与美术更好的体验，给与项目更丰富的画面表现才是shader编写的意义
那么我们开始对于这一个简单的shader的汉语翻译
首先我们要确立属性面板，确立材质与unity shader之间的关系，再是书写pass语句，正式写shader，我们要得到模型的数据，需要写两个结构体，输入结构体，输出结构体，并且开始写我们的shader，顶点shader与片元shader。这就是我们的工作流，也是shader编写最简单最基本的框架。
（至此本文对于unity shader代码最简单的介绍到此结束，后续会说明深度测试等等功能在代码中的实现以及数学原理）
感谢《unity  shader入门精要》

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