UnityShader常用语义和变量

acecase · 发表于 2021-12-2 19:48

Properties语义块

Properties
{
_Int (&#34;Int&#34;, Int) = 1
_Float (&#34;Float&#34;, Float) = 1.5
_Range (&#34;Range&#34;, Range(0.0, 5.0)) = 3.0
_Color (&#34;Color&#34;, Color) = (1, 1, 1, 1)
_Vector (&#34;Vector&#34;, Vector) = (1, 2, 3, 4)
_2D (&#34;2D&#34;, 2D) = &#34;&#34; {}
_Cube (&#34;Cube&#34;, Cube) = &#34;white&#34; {}
_3D (&#34;3D&#34;, 3D) = &#34;black&#34; {}
}
······
CGINCLUDE
int _Int;
float _Float;
float _Range;
fixed4 _Color;
float4 _Vector;

sampler2D _2D;
float4 _2D_ST; //2D纹理在inspector窗口上的缩放Tiling和偏移Offset

samplerCUBE _Cube;
sampler3D _3D;
ENDCG
······
Color和Vector是四维向量，
2D、3D、Cube是复杂的结构，由字符串和花括号指定，字符串要么是空的要么是&#34;white&#34;、&#34;black&#34;等内置的纹理的名称，CubeMap可以使用 “_Skybox” 字符串指定当前场景里的天空盒花括号内容通常为空。
fixed、half、float 都是浮点数，精度各不同，分别是：11位、16位、32位
UnityShader文件的结构

Shader &#34;Unlit/MyShader&#34;
{
Properties
{
      //定义属性变量
}

//第一个SubShader
SubShader
{
      //Subshader渲染状态[RenderSetup]
      //Subshader标签[Tags]

      //第一个Pass
      Pass
      {
         [NAME]
         //Pass的渲染状态[RenderSetup]
         //Pass的标签[Tags]

         CGPROGRAM
         #pragma vertex vert
         #pragma fragment frag

         struct appdata{};
         struct v2f{};

         v2f vert (appdata v){}
         fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{}
         ENDCG
      }

      //第二个Pass
      Pass{······}
}

//第二个Subshader
SubShader{······}

Fallback Off //Fallback &#34;name&#34;
}一个完整的shader文件，至少要有一个SubShader语义块，第一个SubShader如果无法在机器上执行，就执行第二个，直到调用Fallback
SubShader和Pass都可以进行渲染状态设置和标签设置，语法相同，SubShader的设置会应用于其下的所有没有进行设置的Pass
每一个Pass就是一个完整的渲染流程（具备顶点着色器和片元着色器）越多Pass性能越低
状态设置[RenderSetup] - (SubShader和Pass通用)

Cull	Cull Back / Front / Off	设置剔除模式，剔除背面（默认）、剔除正面、关闭剔除
ZTest	ZTest LessGreater / LEqual / GEqual / Equal / NotEqual / Always	设置深度测试时使用的函数
ZWrite	ZWrite On / Off	开启、关闭深度写入
Blend	Blend SrcFactor DstFactor	开启和设置混合模式，Src\DstFactor是两个参数，具体参考Blend的详细说明

以上设置可以再SubShader和Pass中使用，SubShader的设置影响其下所有Pass，Pass里的设置则覆盖SubShader提供的设置。

ZTest参数详解：

ZTest Less	深度小于当前缓存则通过
ZTest Greater	深度大于当前缓存则通过
ZTest LEqual	深度小于等于当前缓存则通过（默认值）
ZTest GEqual	深度大于等于当前缓存则通过
ZTest Equal	深度等于当前缓存则通过
ZTest NotEqual	深度不等于当前缓存则通过
ZTest Always	不论如何都通过
ZTest Off	相当于Always，关闭深度测试，无论如何都通过

默认值为 LEqual ，注意深度测试时间点是片元着色器之后，和预先深度测试不是同一个东西。预先深度测试在片元着色器之前
2.Blend状态详细：

Blend Off	关闭混合
Blend SrcFactor DstFactor	开启混合并设置混合因子
Blend SrcFactor DstFactor SrcFactorA DstFactorA	开启混合并设置混合因子，但是用另外的参数去混合颜色的透明通道
BlendOp BlendOperation	修改混合的计算公式，默认是Add，混合颜色后相加

混合的公式是：
最终颜色ColorRGBA = Pass输出颜色RGBA * SrcFactor + 目标颜色RGBA * DstFactor
当使用 SrcFactorA 的时候，意味着alpha通道分开来计算，也就是：
最终颜色ColorRGB = Pass输出颜色RGB * SrcFactor + 目标颜色RGB * DstFactor
最终颜色ColorA = Pass输出颜色A * SrcFactorA + 目标颜色A * DstFactorA
Pass输出颜色就是源颜色Src，目标颜色就是当前屏幕上颜色缓冲里的颜色Dst
而 Factor 的可用参数有这些：

One	因子是1
Zero	因子是0
SrcColor	源颜色值，用于RGB混合时，使用RGB分量作为因子，用于Alpha混合时，用A分量作为因子
SrcAlpha	源颜色值的Alpha分量
DstColor	同上，但是是目标颜色
DstAlpha	同上，但是是目标颜色
OneMinusSrcColor	因子为（1 - 源颜色），使用RGB分量作为因子，用于Alpha混合时，用A分量作为因子
OneMinusSrcAlpha	因子为（1 - 源颜色A分量）
OneMinusDstColor	同上，但是是目标颜色
OneMinusDstAlpha	同上，但是是目标颜色

BlendOp 的 BlendOperation 可用参数有：

Add	默认的操作，将和各自的因子混合后的源颜色和目标颜色相加
Sub	混合后，源颜色减去目标颜色
RevSub	混合后，目标颜色减去源颜色
Min	混合后，在源颜色和目标颜色中逐个颜色分量去进行比较，选出最小的RGBA作为最终颜色
Max	混合后，在源颜色和目标颜色中逐个颜色分量去进行比较，选出最大的RGBA作为最终颜色
其他	仅在 DirectX 11.1 中支持

标签类型Tags - （SubShader）

Queue	控制渲染的顺序，主要目的是控制透明物体在不透明物体全渲染完毕之后再渲染、自定义物体的渲染顺序
RenderType	对着色器进行分类，可以分为不透明的着色器或透明的着色器，这个主要和着色器替换（Shader Replacement）功能相关
DisableBatching	指明是否对该SubShader进行批处理，一些着色器可能在使用Unity的批处理功能时出现问题（特别是在模型空间下进行顶点动画的时候）
ForceNoShadowCasting	控制这个物体是否会投射阴影
IgnoreProjector	如果此标签为True，则此物体不会受Projector的影响，通常用于半透明物体
CanUseSpriteAtlas	该SubShader用于精灵Sprite时，将该标签设置为False
PreviewType	可以指明UnityInspector面板如何预览该材质，默认是球形，但是可以设置为”Plane“或”SkyBox“来改变预览类型

以上Tags仅可以在SubShader中使用，多个Tags用逗号隔开，所有的Tags都是 string - string 的键值对的形式
比如：
Tags { &#34;RenderType&#34;=&#34;Opaque&#34; &#34;DisableBatching&#34; = &#34;True&#34; }

Queue的参数

&#34;Background&#34;	1000	这个队列里的物体在任何其他队列之前先渲染，通常用来绘制背景物体
&#34;Geometry&#34;	2000	默认的渲染队列，大部分不透明物体使用此队列
&#34;AlphaTest&#34;	2450	需要进行透明度测试的使用此队列
&#34;Transparent&#34;	3000	此队列的透明物体，在前面的队列渲染完毕后，再按从后往前的顺序进行渲染。任何使用透明度混合、关闭深度写入的物体都应该使用此队列
&#34;Overlay&#34;	4000	通常用来实现一些叠加效果。要最后渲染的物体使用该队列

渲染队列Queue设置影响物体的渲染顺序，且你可以在material的inspector面板里手动设置这个材质的渲染队列：

根据Unity上的队列分布，2500以下是不透明物体的渲染队列，所以这些物体是先渲染距离摄像机近的，再渲染距离摄像机远的
队列2501以上是透明物体的渲染队列，所以这部分的透明物体为了保证透明效果正确，是先渲染距离摄像机远的，再渲染距离摄像机近的

2.RenderType的参数
RenderType是Unity为替换shader准备的一个内建标签集合，对一个SubShader进行一个正确的RenderType的设定，那么在使用着色器替换功能的时候，就能使用同样的RenderType类型的SubShader对这个物体进行替换。
着色器替换功能需要手动写C#代码并通过调用Camera提供的函数来执行，将场景中的物体进行一次替换，然后再渲染。这个概念和屏幕后处理不一样。如果找不到对应的RenderType，那么就会选取第一个，如果平台无法支持SubShader，就找下一个（如果没有对应的）或者直接Fallback
具体可以参考这篇文章：https://www.jianshu.com/p/d8356533fcc2

Opaque	用于大多数着色器
Transparent	用于半透明着色器
TransparentCutout	蒙皮透明着色器
Background	天空盒着色器
Overlay	光晕着色器、闪光着色器
TreeOpaque、TreeTransparentCutout、TreeBillboard、Grass、GrassBillboard	地形引擎中的树皮、树叶、树、草等

实际上你也可以自定义RenderType的名称，来区分shader要渲染的对象，这个设置本身并不会给shader带来任何影响。

3.DisableBatching
Unity会自动对一些符合条件的物体进行动态合批处理，节省性能，但如果我们的顶点动画在模型空间中进行顶点变换的时候，可能会因动态合批而引发错误，解决办法之一就是把这个Tag设置为False
具体可以参考：https://blog.csdn.net/qq_39574690/article/details/105400316

4.ForceNoShadowCasting
= “True” 时，代表此物体不受其他物体投射的阴影的影响
= “False” 时，代表此物体会受到其他物体投射的阴影的影响（默认值）

5.IgnoreProjector
默认为False，当设置为True的时候则表示我们不希望任何投影类型材质或贴图影响这个着色器，这个属性主要配合unity的一个组件 Projector（投射器、投影仪）使用

标签类型Tags - (Pass)

LightMode	定义这个Pass在Unity渲染流水线中的角色
RequireOptions	指定当满足某些条件时才渲染这个Pass

1.Unity的LightMode部分选项

Tags { &#34;LightMode&#34; = &#34;Always&#34; }	不管使用哪种渲染路径，该Pass都会渲染，但不会计算任何光照，默认使用此选项
Tags { &#34;LightMode&#34; = &#34;ForwardBase&#34; }	用于前向渲染。该Pass会计算环境光，最重要的平行光、逐顶点/SH光源和Lightmaps
Tags { &#34;LightMode&#34; = &#34;ForwardAdd&#34; }	用于前向渲染。该Pass会计算额外的逐像素光源，每个Pass对应一个光源
Tags { &#34;LightMode&#34; = &#34;ShadowCaster&#34; }	把物体的深度信息渲染到阴影映射纹理或一张深度纹理中
Tags { &#34;LightMode&#34; = &#34;Deferred&#34; }	用于延迟渲染中

Unity默认使用前向渲染，如果Unity使用前向渲染，而Pass使用延迟渲染（Deferred），那么这个Pass是不会进行渲染的
不声明LightMode，则默认使用 “Always” 这个模式，此时光照参数比如_LightColor0、_WorldSpaceLightPos0 没有进行正确的计算，直接使用可能会引发不可预见的错误
简单说下正确使用前向光照应该：
#pragma multi_compile_fwdbase
#include &#34;Lighting.cginc&#34;用这两句话告诉unity我们在这里使用前向渲染，声明后，unity会自动处理物体的光照计算，处理完毕后变成一堆参数提供在Pass里用，使用Unity提供的光照参数时有些参数需要引入光照文件
前向渲染中，unity会根据场景中各个光源对物体的影响程度进行一个重要度排序，为了性能默认不会全处理所有光，而是会按照光源的重要程度舍弃一些不重要的
前向渲染提供的变量关键字：

_LightColor0	float4	该Pass处理的逐像素光源颜色
_WorldSpaceLightPos0	float4	_WorldSpaceLightPos0.xyz 是该Pass处理的像素光源的位置，如果是平行光，则w分量为0，xyz代表平行光的方向，其他光源则w为1，xyz代表光源的位置
_LightMatrix0	float4x4	从世界空间到光源空间的变换矩阵，可以用于采样cookie和光强衰减纹理
unity_4LightPosX0 unity_4LightPosY0unity_4LightPosZ0	float4	仅用于Base Pass，前4个非重要的点光源在世界空间中的位置
unity_4LightAtten0	float4	仅用于Base Pass，存储前4个非重要的点光源的衰减因子
unity_LightColor	half4	仅用于Base Pass，存储前4个非重要的点光源颜色

前向渲染常用的函数：（这些函数的定义在UnityCG.cginc中）

float3 WorldSpaceLightDir (float4 v)	输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向，没有归一化
float3 UnityWorldSpaceLightDir (float4 v)	输入一个世界空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向，没有归一化
float3 ObjSpaceLightDir (float4 v)	输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到光源的光照方向，没有归一化
float3 Shade4PointLights（...）	计算四个点光源的光照，具体使用方式有待研究，参数是上面的内置变量

UnityCG.cginc中一些常用的函数

float3 UnityObjectToWorldNormal (float3 normal)	输入：模型空间的法线输出：世界空间中的该法线的归一化内部实现会判断模型是否发生了形变
float3 UnityObjectToWorldDir(flaot3 dir)	输入：模型空间中的矢量输出：世界空间中的该矢量的归一化内部实现使用了unity_ObjectToWorld
float3 UnityWorldToObjectDir(flaot3 dir)	输入：世界空间中的向量输出：模型空间中的该向量的归一化内部实现使用了unity_WorldToObject
float3 WorldSpaceViewDir(float4 v)	输入：模型空间中的顶点位置输出：世界空间中从该顶点到摄像机的观察方向向量，即获得这个顶点的视线方向，没有归一化内部实现是_WorldSpaceCameraPos.xyz - 参数转换到世界空间的位置
float3 UnityWorldSpaceViewDir(float4 v)	输入：世界空间中的一个顶点的位置输出：世界空间中这个顶点到摄像机的观察方向内部实现是_WorldSpaceCameraPos.xyz - 参数
float3 ObjSpaceViewDir(float4 v)	输入：模型空间中的顶点的位置输出：模型空间中该顶点到摄像机的观察方向内部实现是_WorldSpaceCameraPos转换到模型空间后 - 参数
UnityObjectToViewPos	输入：模型空间中的顶点的位置输出：观察空间中该顶点的位置内部实现是顶点变换到世界空间后再和UNITY_MATRIX_V变换到观察空间
fixed3 UnpackNormal(fixed4 p)	输入：从法线贴图上采样得到的颜色值输出：颜色值各个分量经过 * 2 - 1 处理后的向量值，即把颜色值从区间 0~1 变换到 -1~1 （法线的分量的取值范围）

UnityShader内置矩阵

UNITY_MATRIX_MVP	模型空间 -> 观察空间 -> 裁剪空间通常把模型顶点转换到裁剪空间（就是那个必备的操作）UnityObjectToClipPos()函数里就是用的这个矩阵
UNITY_MATRIX_MV	模型空间 -> 观察空间可以用来将模型空间的顶点转换到观察空间里
UNITY_MATRIX_V	世界空间 -> 观察空间可以把世界空间中的顶点转换到观察空间中
UNITY_MATRIX_P	观察空间 -> 裁剪空间可以把观察空间中的顶点转换到裁剪平面（裁剪空间）里
UNITY_MATRIX_VP	世界空间 -> 观察空间 -> 裁剪空间可以把顶点从世界空间中转换到裁剪空间里
UNITY_MATRIX_T_MV	UNITY_MATRIX_MV矩阵的转置矩阵
UNITY_MATRIX_IT_MV	UNITY_MATRIX_MV矩阵的逆转置矩阵，通常用来把法线从模型空间转换到视角空间
unity_ObjectToWorld	模型空间 -> 世界空间把顶点从模型空间转到世界空间里
unity_WorldToObject	世界空间 -> 模型空间把顶点从世界空间转到模型空间里

M - Model 模型矩阵
V - View 观察矩阵、视图矩阵
P - Projection 投影矩阵
矩阵的操作当然都适用于顶点和矢量

Unity推荐使用 UnityObjectToClipPos() 来替代 mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)，因为直接使用UNITY_MATRIX_MVP，会引入一次额外的矩阵计算，因此最好用Unity提供的函数以便优化。他的内部实现是：
return mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(unity_ObjectToWorld, float4(pos, 1.0)));其次，不可以直接把法线和UNITY_MATRIX_MV矩阵进行变换，因为法线在模型发生非等比缩放的时候，法线的方向会发生变化，为了正确获得世界空间中的法线，应该使用UnityObjectToWorldNormal 函数让法线变换到世界空间的时候是正确计算的（垂直于曲面）
因此 UnityObjectToWorldNormal 和 UnityObjectToWorldDir 的区别是，一个仅负责把模型空间的点或矢量转换到世界空间，一个是专门处理法线，正确计算法线，让即使模型发生了缩放拉伸，法线也能正确垂直于曲面
UnityObjectToWorldNormal的内部实现会判断模型是否进行了非等比缩放，如果是，则这样处理：
return normalize(mul(norm, (float3x3)unity_WorldToObject));如果没有的话则调用 UnityObjectToWorldDir (norm) 返回
这样特殊处理的原因可以参考：https://www.zhihu.com/question/400660113/answer/1343469757
UnityShader内置摄像机和屏幕参数

_WorldSpaceCameraPos	float3	世界空间相机的位置
_ProjectionParams	float4	x = 1.0(或如果当前使用翻转投影矩阵渲染则为-1.0), y是相机的近平面,z是相机的远平面,w是1 / FarPlane
_ScreenParams	float4	x是相机的渲染目标在像素里的宽度, y是相机的渲染目标在像素里的高度,z是1.0 + 1.0 /宽度,w是1.0 + 1.0 /高度
_ZBufferParams	float4	用于线性化Z缓冲区的值。x(1-far /near), y(far/near),z(x /far),w(y /far)
unity_OrthoParams	float4	x是正交的相机的宽度, y是正交的相机的高度,z是未使用的,为正交的相机时w为1.0,透视相机时w为0.0
unity_CameraProjection	float4x4	摄像机的投影矩阵
unity_CameraInvProjection	float4x4	摄像机的投影矩阵的逆矩阵
unity_CameraWorldClipPlanes[6]	float4	相机锥平面世界空间方程，按顺序为：左、右、底部、顶部、近、远

Unity提供的CG/HLSL语义

应用阶段传递到顶点着色器语义	\
POSITION	模型空间中顶点的位置 float4
NORMAL	顶点的法线 float3
TANGENT	顶点切线 float4,w分量代表这个切线空间下的副切线的方向
TEXCOORDn （TEXCOORD0、TEXCOORD1...）	此顶点的纹理坐标，TEXCOORD0则代表第一组纹理坐标，以此类推，可以是float2或float4类型
COLOR	顶点的颜色 fixed4
顶点着色器传递到片元着色器语义	\
SV_POSITION	裁剪空间中的顶点的坐标
COLOR0~COLOR1	\
TEXCOORD0~TEXCOORD1	\
片元着色器输出到Unity的语义	\
SV_Target	输出值会存储到渲染目标中，即最后的一帧中的颜色

UnityShader内置时间变量

_Time	场景开始加载后所经过的时间，4个分量分别是（t/20, t, 2t, 3t）
_SinTime	时间的正弦值，四个分量值分别是（t/8, t/4, t/2, t）的正弦值
_CosTime	时间的余弦值，四个分量值分别是（t/8, t/4, t/2, t）的余弦值
unity_DeltaTime	dt是时间增量，4个分量的值分别是（dt, 1/dt, smoothDt, 1/smoothDt）

这些时间变量都是float4，4个分量分别具有不同的值，直接使用即可，时间值会在游戏运行的时候自动变化
ShaderTarget版本的差别

#pragma target 2.5	默认的target版本
#pragma target 3.0	支持对顶点纹理的采样等
#pragma target 4.0	支持几何着色器
#pragma target 4.6	支持曲面细分着色器

还有其他的target版本，不同的target版本支持的着色器功能、shader能使用的运算指令数目和对应Direct3D的ShaderModel版本也各不相同，不同的unity版本支持的target版本也可能不同，详情请查阅对应Unity版本的Manual文档，搜索“Shader Target”
环境光和雾

unity_AmbientSky	fixed4	梯度环境照明的情况下的天空环境照明颜色。
unity_AmbientEquator	fixed4	梯度环境照明的情况下赤道环境照明颜色。
unity_AmbientGround	fixed4	梯度环境照明的情况下地面环境照明颜色。
UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT	fixed4	环境照明颜色（或梯度环境情况下的天空颜色）。
unity_FogColor	fixed4	雾色
unity_FogParams	float4	雾计算参数： (density / sqrt(ln(2)), density / ln(2), –1/(end-start), end/(end-start)) x值用于Exp2雾模式，y值用于Exp模式，z和w用于线性模式。

所谓梯度环境照明，指的是你可以在Unity里设置环境颜色为梯度颜色：
打开Window -> Rendering -> Lighting 打开 Lighting 面板，然后在 Environment 里可以找到环境颜色的设置，把 source 设置为 Gradient（梯度），那么这三个颜色：天空、赤道、地面就对应了上面表格里的3个变量

最后是一些入门的时候经常用到的函数的研究和提示：
贴图 tiling 计算函数

o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_MainTex);             //使用实例
o.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw; //函数原型TRANSFORM_TEX() 函数用于正确处理纹理坐标的缩放和偏移
贴图颜色采样函数

tex2D函数用于传入UV以便对2D纹理进行采样，得到颜色值
tex2D(_MainTex, i.uv).rgb;             //用法举例
float4 tex2D(sampler2D x, float2 v); //函数原型另一个函数是 tex2Dlod，也是获得颜色值
tex2Dlod(sampler2D, float4(i.uv.xy, 0, 0)); //用法举例
float4 tex2Dlod(sampler2D x, in float4 t);    //函数原型注意tex2Dlod的第二个参数传入的是一个float4，里面 t.xy 是采样颜色的坐标，t.w 代表的是纹理的mipmap层级，0层是没有压缩过的纹理，层级越高（最高8层）则纹理压缩程度越大。
tex2Dlod函数只能用于#pragma target 3.0或以上的shader目标版本
值得注意的是，tex2D 这个函数不能在顶点着色器中使用，想在顶点着色器对纹理进行采样得使用：tex2Dlod 函数。在Unity文档中对此是这样描述的：

Using in the Vertex Shader. This is not valid, because UV derivatives don&#39;t exist in the vertex Shader. You need to sample an explicit mip level instead; for example, use (). You also need to add as is a Shader model 3.0 feature.

再结合这篇文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/144434084
大意是 tex2D 函数在片元着色器使用的时候，会自动根据物体距离摄像机的距离来计算应该使用的纹理mipmap层级，他的底层实现也是调用了 tex2Dlod 函数，只不过层级是片元自动计算出来的。
而顶点着色器不能自动计算这个层级，所以你得手动指定mipmap层级，也就是直接调用 tex2Dlod ，而不能使用 tex2D 否则 unity 会报错。
关于什么是 mipmap 可以看：https://blog.csdn.net/u010019717/article/details/91352180
法线函数

UnpackNormal 函数把法线贴图采样得到的颜色值转化为法线的扰乱值
UnpackNormal(tex2D(_BumpTex, i.uv.zw)).xyz; //使用示例
inline fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal); //函数原型其实本质就是进行 packednormal.xyz * 2 - 1 的操作，把参数的取值范围从颜色值的 0~1 转换到法线的取值范围 -1~1
法线贴图记录的是法线相比垂直向上的法线的差异，也就是扰乱值，这部分我之后出一篇文章另谈
Clip函数

在片元着色器里，如果传入的参数（float4）中的任何一个分量小于0，则丢弃这个像素，不进行渲染
void clip(float4 x)
{
if (any(x < 0))
discard;
}
写shader要用到的数学函数可以查看别人总结的文章，这里就不列举啦。
刚入门shader的时候总是会忘记一些变量名和语义等，所以萌生了写这篇文章的想法，有什么错漏感谢指出！一起加油~

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UnityShader常用语义和变量

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