[Unity Shader]Shader前述

什么是Shader

Shader，也就是着色器，它的工作就是读取你的网格并渲染在屏幕上。Shader可以定义一些属性，你会用它来影响渲染模型时所显示的效果。当存储了这些属性的设置时，就是一个Material，材质。

Shader有以下几个种类：

Surface Shaders —— 也称为表面着色器。这大概是Unity的骄傲。它去除了大部分“麻烦的工作”，可以适用于很多情况下
Fragment Shaders —— 片段着色器。它允许你做更多的工作，但也更难写，而且它还让我们可以做低层的一些东西，像顶点光照，这对于移动设备和多个通道（passes）所必需的更高级的效果会非常有用。

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。

Shader "Custom/Hello" {
	Properties {
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
	}
	SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 200
		
		CGPROGRAM
		#pragma surface surf Lambert

		sampler2D _MainTex;

		struct Input {
			float2 uv_MainTex;
		};

		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
			o.Albedo = c.rgb;
			o.Alpha = c.a;
		}
		ENDCG
	} 
	FallBack "Diffuse"
}

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";"。

Shader结构

我们来看Shader下面的部分。

Shader "Custom/Hello" {
	Properties {
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
	}
	SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 200
		
		CGPROGRAM
                //Lambert定义了光照模型
		#pragma surface surf Lambert

		sampler2D _MainTex;

		struct Input {
			float2 uv_MainTex;
		};

		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
			o.Albedo = c.rgb;
			o.Alpha = c.a;
		}
		ENDCG
	} 
	FallBack "Diffuse"
}

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，它的结构定义如下：

 struct SurfaceOutput {  
    half3 Albedo;      //颜色纹理  
    half3 Normal;     //法线  
    half3 Emission;   //自发光，不受照明的影响  
    half Specular;     //高光指数  
    half Gloss;         //光泽度  
    half Alpha;         //Alpha通道  
};

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

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；

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。

Shader "Custom/Hello" {
    Properties {
　　　　　//1、_MainTex变量名　
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200
        
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert
　　　　　//2、_MainTex变量名
        sampler2D _MainTex;

        struct Input {
　　　　　　  //3、uv_MainTex变量名
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
            half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    } 
    FallBack "Diffuse"
}

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;