【Unity Shaders】Shader学习资源和Surface Shader概述

Shader管道

Shader的工作是把一系列几何图形变成2D屏幕上的像素颜色。一个Surface Shader看起来像这样:
但要注意,当你的函数退出之后,并不是得到像素的最终颜色,你还可以通过传递一个法线向量来影响光照。
Fragment Shaders也有类似的管道,但必须包含其中的Vertex Function,并在其中需要做大量的工作以为下一步像素颜色的计算做准备。而Surface Shaders则隐藏了这一步。
以上就是你的Surface Shaders的代码是如何被调用。Surface Shaders的代码需要看起来像这样:
总结一下就是:首先需要定义一些Properties,然后将有一个或多个Subshaders。使用的subshader将取决于所运行的平台。除此之外,还应该指定一个Fallback Shader,如果你的subshaders都不可以在目标设备上运行,那么就会调用这个备用Shader。
每个subshader都至少具有一个Pass,它读入数据处理后再输出数据。你可以使用这些passes执行不同的操作。例如,在Grab Pass中你可以捕捉到显示屏上已经呈现的像素。通过这种方法可以得到一些高级的屏幕效果。另外需要有多个passes的情况是,你需要处理不同的事情,像在创建效果的不同阶段写入或者忽略缓冲区。
当你编写一个Surface Shader时,是直接写在Subshader里面的。系统将会把你的代码编译成多个passes。
虽然着色器是写入到一个2D屏幕上,但是它也保持了每个像素距离摄像机的远近 —— 以此来避免后续渲染的对象在空间上位于已渲染对象的后面,但却覆盖了之前像素的情况出现。

你可以使用Pass中的语句来控制​​这个Z方向的缓存是否对你的着色器代码有影响,或者你的Shader是否写入该缓冲区内,例如: Zwrite Off表明不会更新你的任何输出像素的Z方向的缓存区。

您可以使用这种技术来在其他对象上打孔 —— 通过写入Z缓冲区,但不输出任何实际的像素颜色,那么使用这个Shader的模型背后的对象将不能被写入(因为Z缓冲区中有距离更近的像素了),这样看起来这个对象就像是被打了洞一样。

下面展示了一个最简单的Surface Shader:

下一次,将对上面代码中的几个部分分别做出说明:Properties,Tags,SubShader的结构,Input结构体,surf函数等。

理解Shader代码

接下来,我们将概要地解释Shader中各个部分的作用,进一步理解Shader。

Properties

由上面的代码可以看出,Shader的第一行指明了Shader的名字:“Example/Diffuse Texture”。紧跟着就是Shader的第一个重要组成部分,Properties{ }。我们可以在Properties里面定义一系列属性,这些属性被下面的SubShader所共享,它们可以让你在Unity的面板里直观地控制Shader变量,影响渲染结果。
这些属性的定义格式如下:
_Name ( "Displayed Name", type ) = default value {options}
  • _Name:程序中引用的名字,和我们一般理解的变量名称是一样的。
  • Displayed Name:这个字符串将会出现在Unity材质的编辑面板上。
  • type:该属性的类型。Unity支持以下几种属性类型:
    • Color:表示一个单一的RGBA颜色值;
    • 2D: 表示一张大小为2的次方的纹理贴图,可以使用基于模型UV坐标来进行采样;
    • Rect:表示一张纹理不是2的次方的纹理贴图;
    • Cube:表示一个可用于反射的3D立方体映射贴图,可以进行采样;
    • Range(min, max):一个取值范围在min到max之间的浮点值;
    • Float: 一个可以为任意值的浮点值;
    • Vector:一个4维度的向量。
  • default value:该属性的默认值。
    • Color:使用浮点值表示的(r, g, b, a),例如(1,1,1,1);
    • 2D/Rect/Cube:对于贴图类型的属性,默认值可以是一个空字符串,或者”white”, “black”, “gray”, “bump”这样的字符串;
    • Float/Range:在此范围内的值即可;
    • Vector:以(x,y,z,w)形式表示的4D向量;
  • { options }:只和纹理类型的2D、Rect和Cube相关,它必须至少被指定为{ }。你可以使用空格分隔多个选项,有如下选择:
    • TexGen贴图生成模式:该纹理的自动纹理坐标生成模式。可以为ObjectLinear, EyeLinear, SphereMap, CubeReflect, CubeNormal。这些直接对应了OpenGL中的texgen modes。注意,如果你编写了一个顶点函数,那么可以忽略TexGen。
下面的实例展示了Properties的写法:
//Define a color with a default value of semi-transparent red
_MainColor ("Main Color", Color) = (1,0,0,0.5)
//Define a texture with a default of white
_Texture ("Texture", 2D) = "white" {}
注意,在定义属性时不需要在末尾添加分号”;”。

Tags

我们的Surface Shader可以使用Tags进行装饰。这些Tags可以告诉硬件应该什么时候调用你的Shader。
在上述例子里,有:Tags { “RenderType” = “Opaque” },该指令告诉系统在渲染Opaque几何图形时调用我们的Shader。Unity定义了一系列这样的队列。另一个常用的是”RenderType” = “Transparent”,这表明你的Shader可能会输出一些半透明或全透明的像素。
其他的tags也同样非常有用,例如”IgnoreProjector”=”True”,这表明你的对象不会受投影和”Queue”=”xxxx”的影响。
Queue tag可以指定何时渲染你的Shader,详情可参见这篇文章

Shader结构

我们来看Shader下面的部分。
可以看出,这部分代码使用CG语言写的,它有点像C语言。你可以去查看Nvidia的文档去了解更多内容。这里将会进行简单的介绍。
其中很重要的变量为float类型和向量(vec)类型,这两种类型可以紧跟一个2、3或者4进行定义。这种类型在图形处理里面非常常见。
//Define a float variable
vec2 coordinate;
//Define a color variable
float4 color;
//Multiply out a color
float3 multipliedColor = color.rgb * coordinate.x;

我们可以使用.xyzw和.rgba符号访问存储在这些变量中的值(颜色、位置、法线等)。

我们还会遇到half和double类型。和字面表示的一样,这两种类型分别是普通float类型大小的一半和两倍。half通常被用于性能限制的情况下。还有一种类型是fixed,它表示固定小数的实数。

从Surface Shader输出信息

因此,每个像素都会调用我们的Surface Shader。系统在模型的每个面片上进行插值,为我们的输入结构设置了当前值。
surf函函数和下面类似:
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
    o.Albedo = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb;
}

显然,我们是为SurfaceOutput中的Albedo属性进行了设置。SurfaceOutput是Unity为我们定义的一种结构体,它的定义如下:

struct SurfaceOutput {
    half3 Albedo;      //The color of the pixel
    half3 Normal;     //The normal of the pixel
    half3 Emission;   //The emissive color of the pixel
    half Specular;     //Specular power of the pixel
    half Gloss;         //Gloss intensity of the pixel
    half Alpha;         //Alpha value for the pixel
};

我们只需要填充上述成员变量,Unity在自动生成passes时会自行判断如何使用它们。

下面我们来解释Shader代码中最关键的部分。
首先,是surf函数的输入参数Input结构:
struct Input {
    float2 uv_MainTex;
};

只需要通过Input结构体,我们就可以告诉系统,为当前正在处理的像素得到在MainTex中对应的纹理坐标。如果不止一张纹理,例如还有一张_OtherTexture,我们只需要添加如下代码:

struct Input {
    float2 uv_MainTex;
    float2 uv_OtherTexture;
};

如果对于这种纹理,我们需要第二组uv坐标,可以添加如下代码:

struct Input {
    float2 uv_MainTex;
    float2 uv2_OtherTexture;
};

Input结构体通常包含了所有贴图的uv或uv2坐标。但是,如果我们的Shader比较复杂,并且需要了解像素渲染的其他信息,我也就可以通过将其包括在Input结构体中来要求得到这些变量。

  • float3 viewDir:视角方向,用于计算视差效果和边缘照明等;
  • 使用COLOR语义的float4:包含了插值后的逐顶点颜色;
  • float4 screenPos:屏幕空间中的位置;
  • float3 worldPos:世界空间中的位置;
  • float3 worldRefl:如果Surface Shader没有改写o.Normal,将包含了环境反射向量;
  • float3 worldNormal:如果Surface Shader没有改写o.Normal,将包含了环境法线向量;
  • INTERNAL_DATA:当我们需要改写o.Normal时,一些函数,如WorldNormalVector等,需要该变量进行计算;
最后,我们来解释下面这句话:
Sampler2D _MainTex;
对于Properties中定义的每一个属性,你都需要在CG程序中声明一个变量来访问它。而且该变量和属性的名称必须完全一样。

当该属性是一张文字,而你需要在Input结构中得到对应的uv坐标时,uv或者uv2后面的名称也必须和属性名相同。

在上图中,_MainTex对应了一张纹理贴图,它对应的变量类型就是sampler2D类型,只要得到了一个uv坐标,我们就可以在贴图上进行采样得到颜色值。

surf函数中仅用了一个函数:

o.Albedo = tex2d( _MainTex, IN.uv_MainTex).rgb;

它使用Input中得到的该像素对应的_MainTex中的uv坐标,在_MainTex进行采样,得到一个float4类型的颜色值(包括了透明通道)。如果我们需要得到透明通道的值,可以这样做:

float4 texColor = tex2d( _MainTex, IN.uv_MainTex );
o.Albedo = texColor.rgb;
o.Alpha = texColor.a;

总结

呼呼呼,本文主要介绍了Unity中Shader的两种主要类型,并对其他的一种类型Surface Shader做了一个初步的概述。