【Unity Shader】初识Shader，基础总结！

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-09-27 09:36 73阅读 0赞

**写在前面**

这篇博客是对《Unity Shader 入门精要》第3章-Unity Shader基础的学习记录和总结。从这篇开始我就再也不是“纸上谈兵”得学习理论知识啦！

激动的心颤抖的手！

如何在Unity里创建Shader？创建材质？怎么把一个shader赋给材质？shader怎么赋给场景中的游戏对象?...如果你这些问题都有疑问——还不快去学！这篇博客不会讲这些基础的东西了，只会记录我想要写下来保存的内容（见谅~

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/2020.4.3/补充

现在已经不用Sublime了，因为Sublime写HLSL太难受，后来干脆买了[ShaderlabVSCode | 实用工具 工具 | Unity Asset Store][ShaderlabVSCode _ _ _ _ Unity Asset Store]，RMB大概200来块，用起来太香了，，，rendertype、forwardbase一些以前手敲的现在全都有注释。

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## 1 如何设置用Sublime打开Shader ##

之前在学习Unity的时候需要写C\#脚本，当时用的是Visual Studio 2022写的，external tool设定的就是VS2022，结果打开Shader发现，即使添加了ShaderlabVS插件，在VS里写Shader竟然无法自动缩进！每次都要一个tab一个tab的手打（心累），于是转战之前Houdini用的sublime。

于是，我参考下面这篇教程，想要完成同时达到：用VS打开C\#，用sublime打开Shader，这一效果的配置

[用SublimeText当Unity Shader的编辑器 - meteoric\_cry - 博客园 (cnblogs.com)][SublimeText_Unity Shader_ - meteoric_cry - _ _cnblogs.com]

结果我只完成了在sublime里添加Unity Shader包的操作，怎么都实现不了Unity双击.shader文件自动跳到sublime打开的效果，索性直接用了最粗暴的办法：

![e5b908ac5d124fc2a6c538bac20e0f01.png][]

直接修改系统打开目标文件的默认程序，**.shader文件选择“始终以sublime打开”**，**.cs文件选择“始终以VS 2022打开”**。

这种粗暴的办法用起来也没啥不妥，但是其实用sublime写Shader也有不爽的地方——不能自动美化格式，但他可以自动缩进呀！相比VS已经够香的了~

### 关于格式设置 ###

Preferences --> Settings --> 输入：

"word_wrap" : true

![9286ac967dff42b58d25282bbed0c2fa.png][]

就可以实现根据窗口完整展示代码了

## 2 我使用的Unity版本和环境 ##

Unity我用的是Unity2021.3.8f1，但《入门精要》书是2016出版用的是Unity5.2.1，上[Unity官网][Unity]看的话，Unity版本3.x --> 4.x --> 5.x --> 2017.x --> ... --> 2022.x，时间线是依次推进的。

![b355f5e0f2ab40ccab23d0039d31cb5e.png][]

系统的话我是用的Win10，Windows是基于DirectX的。

### 不同Unity版本内置函数的使用 ###

既然提到了Unity版本，这里就先打个预防针，要留意一些Unity不同版本之间内置函数使用的差异性，比如我在学习后面的内容时遇到了：

o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);

// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'
    //把MVP矩阵替换成了后面版本出现的内置函数
    
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

[shader中的UnityObjectToClipPos和UNITY\_MATRIX\_MVP][shader_UnityObjectToClipPos_UNITY_MATRIX_MVP]

上文中清楚的提到了Unity5.6版本之后，Shader中的：

*  UNITY\_MATRIX\_MVP会被UnityObjectToClipPos替代
 *  UNITY\_MATRIX\_VP会被UnityWorldToClipPos替代
 *  UNITY\_MATRIX\_P会被UnityViewToClipPos替代

不过，我发现Unity还是很智能的，它会帮你转换写的低版本函数。

## 3 Unity Shader与Shaderlab ##

Unity提供了**Unity Shader**让我们能更加轻松地管理着色器代码以及渲染设置，由于**渲染设置**包含了很多相对复杂的内容，例如逐片元操作（也叫合并）中——做的很多测试工作（深度测试、模板测试）、开启/关闭混合功能等等，我们不需要复杂和冗长的代码去管理，使得上手就轻松了很多。

总之，Unity Shader意义虽然挺抽象，但它本质上就是一个文本文件，有了它，我们学习和编写着色器的过程变得更加简单。

行，那我们怎么才能去使用这个Unity Shader来实现控制呢？——Unity提供了**ShaderLab**这样一种说明语言，所有的Unity Shader都由它来编写。既然是说明语言，那一定有某些表说明的“标签”，在ShaderLab中这样的“标签”就是一些嵌套在花括号内部的语义（Properties、SubShader等等），这些语义定义了Unity Shader的结构。啊，还有一点，如果你学习过DirectX，一定知道它用**FX效果文件**（.fx）来管理渲染方式，它也包含了渲染状态的设置和HLSL代码，可以把ShaderLab和FX效果文件类比着记忆。

## 4 ShaderLab的语义 ##

ShaderLab的语义定义了整个Unity Shader的结构，语义的话有Properties、SubShader、Fallback语义块，它们三个是最最常用的语义，接下来我将参考《入门精要》中3.3章对语义部分的介绍进行叙述。

### 4.1 Properties语义块 ###

为什么会说Properties语义块是材质和Unity Shader的桥梁？因为它定义的内容就是一些**材质属性**（property），这些属性会在Unity的**Inspector面板**中展现出来，把材质属性在Inspector面板暴露出来，我们调整起来更加方便！

须知：即使我们不在Properties语义块中定义某些属性，只要在后续的代码段中定义变量，也能使用这些属性变量，因此Properties语义块的作用仅仅是为了让属性可视化在Inspector面板中。

一个Properties语义块格式通常如下：

Properties {
        Name ("display name", propertyType) = DefaultValue
        Name ("display name", propertyType) = DefaultValue
        ...
    }

其中，

Name——名字，这是我们在Shader中访问它用到的属性名字，通常以一个下划线“\_”开头

display name——显示名字，这是显示在Inspector面板中的名字

propertyType——属性类型，这是我们需要指定的类型，下面会举出常见的属性

DefaultValue——默认值，我们需要给每个属性指定默认值

#### 4.1.1 常见的属性类型 ####

**Properties语义块支持的属性类型**

<table style="width:500px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:232px;"><strong>属性类型</strong></td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;"><strong>默认值的定义语法</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:232px;">Int</td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;">number</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:232px;">Float</td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;">number</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:232px;">Range(min, max)</td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;">number</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:232px;"> <p style="text-align:center;">Color</p> </td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;">(num, num, num, num)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:232px;">Vector</td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;">(num, num, num, num)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:232px;">2D</td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;">"defaulttexture" {}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:232px;">Cube</td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;">"defaulttexture" {}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:232px;">3D</td> 
   <td style="text-align:center;width:266px;">"defaulttexture" {}</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

其中， 2D、Cube、3D的""内要么是空的，要么是Unity内置的纹理名称（black、white、bump等），至于它们是什么？在之前的[HLSL常用函数介绍][HLSL]中，**纹理映射函数**就已经说过了纹理有1D（几乎不用了）、2D、Cube和3D。如果要指定纹理属性，需要在顶点着色器中编写计算相应纹理坐标的代码。

#### 4.1.2 演示 ####

Shader "Unlit/3.1"
    {
        Properties
        {
            //数字和slider
            _Int("Int",Int) = 2
            _Float("Float",float)=1.5
            _Range("Range",Range(0.0,5.0))=3.0
            //颜色值和向量
            _color("Color",Color)=(1,1,1,1)
            _vector("Vector",Vector)=(2,3,6,1)
            //纹理信息
            _2D ("2D", 2D) = "" {}
            _Cube ("Cube", Cube) = "white" {}
            _3D ("3D", 3D) = "black" {}
        }
    
        FallBack  "Diffuse"
    }

![6b6ab46334884753a27e0585692060ce.png][]

### 4.2 SubShader语义块 ###

每个Unity Shader都会至少有一个SubShader语义块。由于不同显卡有不同的渲染能力（很好理解，高级的显卡有更多更复杂的计算能力，而低端一点仅支持部分指令），Unity加载当前Unity Shader时会扫描所有的SubShader语义块，选择一个适合当前平台运行的SubShader语义块。如果都不支持，那么就会使用Fallback语义（后续会提到）指定的Unity Shader。

一个SubShader语义块的格式通常如下：

SubShader {
        //可选的
        [Tag]
    
        //可选的
        [RenderSetup]
    
        Pass {
            ...
        }
        //other passes
    }

#### 4.2.1 渲染状态设置 ####

还记得第3节介绍Unity Shader的时候，介绍了它可以让我们更方便地处理渲染设置吗？这就是在SubShader中实现的。ShaderLab提供了一系列渲染状态的设置指令，可以设置显卡的各种状态，是否开启混合模式、是否开启深度测等等，把冗长的代码凝炼成了**RenderSetup**的指令！

题外话：这里也正好验证了介绍[GPU管线概述][GPU]提到的——**逐片元操作我们可进行配置但不是可编程的**，这一特性。

还须注意，

*  渲染状态和标签都是可选的，即，非必须项
 *  SubShader中直接设置的渲染状态会应用于所有的Pass
 *  Pass语义块也是可以定义标签\[Tag\]和渲染状态\[RenderSetup\]的，但和SubShader中定义的不太一样（后续会讲到）

**ShaderLab常见的渲染状态设置选项**

<table style="width:500px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:128px;"><strong>状态名称</strong></td> 
   <td style="text-align:center;width:201px;"><strong>设置指令</strong></td> 
   <td style="text-align:center;width:185px;"><strong>解释</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:128px;">Cull</td> 
   <td style="text-align:center;width:201px;">Cull Back | Front | Off</td> 
   <td style="text-align:center;width:185px;">剔除模式设置：剔除背面/正面/关闭</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:128px;">ZTest</td> 
   <td style="text-align:center;width:201px;">ZTest Less Great | LEqual | GEqual | Equal | NotEqual | Always</td> 
   <td style="text-align:center;width:185px;">设置深度测试使用的函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:128px;">ZWrite</td> 
   <td style="text-align:center;width:201px;">ZWrite On | Off</td> 
   <td style="text-align:center;width:185px;">开启/关闭深度写入</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:128px;">Blend</td> 
   <td style="text-align:center;width:201px;">Blend SrcFactor DstFactor</td> 
   <td style="text-align:center;width:185px;">开启并设置混合模式</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 4.2.2 SubShader的标签 ####

Tags是一个键值对（Key/Value Pair），键和值都是字符串类型。目的是告诉Unity引擎，当前的SubShader希望如何以及何时渲染当前对象。

还须注意，SubShader的标签类型和接下来讲的Pass语义块的标签类型不一样，不能互通用~

SubShader的标签格式通常如下：

Tags {"TagNamel" = "Value1" "TagName2" = "Value2"}

**SubShader的标签类型**

<table style="width:656px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;"><strong>标签类型</strong></td> 
   <td style="text-align:center;width:237px;"><strong>说明</strong></td> 
   <td style="text-align:center;width:238px;"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;">Queue</td> 
   <td style="text-align:center;width:237px;">控制渲染顺序，指定渲染队列，保证所有透明物体可以在所有不透明物体后面被渲染，还可以自定义渲染队列</td> 
   <td style="text-align:center;width:238px;">Tags {"Queue" = "Transparent"}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;">RenderType</td> 
   <td style="text-align:center;width:237px;">对着色器进行分类，例如定义当前着色器是透明or不透明</td> 
   <td style="text-align:center;width:238px;">Tags {"RenderType" = "Opaque"}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;">DisableBatching</td> 
   <td style="text-align:center;width:237px;">直接指明当前是否对该SubShader进行批处理</td> 
   <td style="text-align:center;width:238px;">Tags {"DisableBatching" = "True"}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:178px;"> <p style="text-align:center;">ForceNoShadowCasting</p> </td> 
   <td style="text-align:center;width:237px;">控制当前SubShader是否投射阴影</td> 
   <td style="text-align:center;width:238px;">Tags {"ForceNoShadowCasting" = "True"}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;">IgnoreProjector</td> 
   <td style="text-align:center;width:237px;">为True，则表示使用当前SubShader的问题不受Projection影响，通常用于半透明物体</td> 
   <td style="text-align:center;width:238px;">Tags {"IgnoreProjector" = "Ture"}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;">CanUseSpriteAtlas</td> 
   <td style="text-align:center;width:237px;">当前SubShader用于精灵sprites时，标签为False</td> 
   <td style="text-align:center;width:238px;">Tags {"CanUseSpriteAtlas" = "False"}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;">PreviewType</td> 
   <td style="text-align:center;width:237px;">指明如何预览该材质，默认情况是球形，可以改成plane、skybox等</td> 
   <td style="text-align:center;width:238px;">Tags {"PreviewType" = "Plane"}</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

定义的这些标签可以在Unity Shader的导入设置面板查看到：

![bc33063f810b43c2b36f889133308db6.png][]

#### 4.2.3 Pass语义块 ####

Pass语义块可以说是最重要的部分，几乎整个渲染管线可编程的着色器代码都写在Pass语义块内了，它的格式通常如下：

Pass {
        [Name]
        [Tags]
        [RenderSetup]
        //other code
    }

*  Name——当前Pass的名字

可以是：

Name "MyPassName"

还可以使用ShaderLab的**UsePass命令**——通过访问其名字，直接使用其他Unity Shader中的Pass，这样可以提高代码的复用性，但须注意用UsePass命令时必须使用大写名字，例如：

UsePass "MyShader/MYPASSNAME"

*  Tags——Pass的标签

前面说了，Pass的标签不同于SubShader的标签，但目的是一样的，都是告诉Unity如何渲染该物体，Pass的标签：

**Pass的标签类型**

<table style="width:656px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;"><strong>标签类型</strong></td> 
   <td style="text-align:center;width:223px;"><strong>说明</strong></td> 
   <td style="text-align:center;width:252px;"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;">LightMode</td> 
   <td style="text-align:center;width:223px;">定义该Pass在Unity的渲染流水线中的角色</td> 
   <td style="text-align:center;width:252px;">Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;width:178px;">RequireOptions</td> 
   <td style="text-align:center;width:223px;">指定当满足某些条件时才渲染该Pass</td> 
   <td style="text-align:center;width:252px;">Tags {"RequireOptions" = "SoftVegetation"}</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  RenderSetup——设置渲染状态

前面SubShader的状态设置同样适用于Pass。

### 4.3 Fallback语义块 ###

这个其实就是一个保证：万一当前的显卡实在太low了，现有的所有SubShader都无法运行，FallBack语义块就相当于一个最次备选，给他准备一个Fallback内置的最最low的Shader。

格式通常如下：

Fallback "name"
    //or
    Fallback Off

Fallback不仅有这一个功能，还能影响阴影的投射。渲染阴影纹理时，Unity需要在Unity Shader中寻找一个阴影投射的Pass，而Fallback刚好有内置的这样一个通用的Pass，有了它我们就不需要再单独写一个Pass了，说明正确设置Fallback是多么的重要！

## 5 Unity Shader的形式 ##

### 5.1 表面着色器 ###

学习渲染管线的时候似乎还没听说过这个着色器。

《入门精要》是这么描述的：它是Unity自创的一种着色器代码类型，本质上和顶点/片元着色器是一样的。总结下来有这两个特点，

*  它需要的代码很少，Unity做了很多工作（Unity会在幕后给它转化成顶点/片元着色器），但渲染的代价较大
 *  表面着色器是被定义在SubShader里，而不是Pass里
 *  被定义在CGPROGRAM和ENDCG之间

### 5.2 顶点/片元着色器 ###

他们是老朋友了，在Unity中是用Cg/HLSL语言编写的，灵活性相比表面着色器高很多。这里就不介绍啥代码结构啦，后面当然会再次遇到，到时候再剖析也不迟。

### 5.3 固定函数着色器（被抛弃 ###

关于“固定”，其实我在[PC和手机的主流图形API介绍][PC_API]中就提到了：“OpenGL ES 2.0——引入可编程着色器，弃用了1.x中需对固定功能”，其中的固定功能就是指的这个固定函数着色器，是OpenGL ES 1.1及之前的版本会用的，DX的话是7.0之前，现在只有一些旧设备需要使用啦，所以才会说“被抛弃”。

对于它我们不深入了解，只需要知道有过就行。

[ShaderlabVSCode _ _ _ _ Unity Asset Store]: https://assetstore.unity.com/packages/tools/utilities/shaderlabvscode-94653
[SublimeText_Unity Shader_ - meteoric_cry - _ _cnblogs.com]: https://www.cnblogs.com/meteoric_cry/p/7880514.html
[e5b908ac5d124fc2a6c538bac20e0f01.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/e5b908ac5d124fc2a6c538bac20e0f01.png
[9286ac967dff42b58d25282bbed0c2fa.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/9286ac967dff42b58d25282bbed0c2fa.png
[Unity]: https://unity.cn/releases/full/5
[b355f5e0f2ab40ccab23d0039d31cb5e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/b355f5e0f2ab40ccab23d0039d31cb5e.png
[shader_UnityObjectToClipPos_UNITY_MATRIX_MVP]: https://blog.csdn.net/qq_38913715/article/details/115861909#:~:text=%E5%9C%A8unity5.6%E4%BB%A5%E4%B8%8A%E7%89%88%E6%9C%AC%E4%B8%AD%EF%BC%8Cshader%E4%B8%AD%E7%9A%84UNITY_MATRIX_MVP%E5%B0%86%E4%BC%9A%E8%A2%ABUnityObjectToClipPos%E6%9B%BF%E4%BB%A3%EF%BC%8C%E4%BB%A5%E5%90%8E%E6%88%91%E4%BB%AC%E5%9C%A8%E5%86%99%E9%A1%B6%E7%82%B9%E5%87%BD%E6%95%B0%E6%97%B6%E5%B0%B1%E6%98%AF%E8%BF%99%E6%A0%B7%E7%9A%84%20v2f%20vert%20%28appdata%20v%29%20%7B%20v2f%20o%3B,%28UNITY_MATRIX_MVP%2Cv.vertex%29%3B%20%2F%2Funity5.6%E4%BB%A5%E5%90%8E%E7%9A%84%E5%86%99%E6%B3%95%20o.vertex%20%3D%20UnityObjectToClipPos%20%28v.vertex%29%3B%20return%20o%3B
[HLSL]: https://blog.csdn.net/qq_41835314/article/details/126814172
[6b6ab46334884753a27e0585692060ce.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/6b6ab46334884753a27e0585692060ce.png
[GPU]: https://blog.csdn.net/qq_41835314/article/details/126665211
[bc33063f810b43c2b36f889133308db6.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/bc33063f810b43c2b36f889133308db6.png
[PC_API]: https://blog.csdn.net/qq_41835314/article/details/126681582?spm=1001.2014.3001.5502