Unity ShaderLab学习总结

时间  2019-11-24 标签 unity shaderlab 学习 总结

 

为何已经有ShaderForge这种可视化Shader编辑器、为何Asset Store已经有那么多炫酷的Shader组件可下载，仍是有必要学些Shader的编写？html

2014-0718-1607-11-33.png编程

  • 由于上面这些Shader工具/组件最终都是以Shader文件的形式而存在。
  • 须要开发人员/技术美术有能力对Shader进行功能分析、效率评估、选择、优化、兼容、甚至是Debug。
  • 对于特殊的需求，可能仍是直接编写Shader比较实际、高效。

总之，Shader编写是重要的；但至于紧不紧急，视乎项目需求。windows

涉及范围

本文只讨论Unity ShaderLab相关的知识和使用方法。但，sass

参考资源

  • Youtube：https://www.youtube.com/watch?v=hDJQXzajiPg （包括part1-6）。视频是最佳的入门方式没有之一，因此墙裂建议就算不看下文的全部内容，都要去看一下part1。
  • 书籍：《Unity 3D ShaderLab开发实战详解》
  • Unity各类官方文档

使用Shader

2014-0720-1007-25-36.png数据结构


如上图，一句话总结：app

  1. GameObject里有MeshRenderer，
  2. MeshRenderer里有Material列表，
  3. 每一个Material里有且只有一个Shader；
  4. Material在编辑器暴露该Shader的可调属性。

因此关键是怎么编写Shader。编辑器

Shader基础

编辑器

使用MonoDevelop这反人类的IDE来编写Shader竟然是让人满意的。有语法高亮，无语法提示。
若是习惯VisualStudio，能够以下实现.Shader文件的语法高亮。ide

  • 下载做者donaldwu本身添加的关键词文件usertype.dat。其包括了Unity ShaderLab的部分关键字，和HLSL的全部关键字。关键字之后持续添加中。
  • 将下载的usertype.dat放到Microsoft Visual Studio xx.x\CommonX\IDE\文件夹下；
  • 打开VS，工具>选项>文本编辑器>文件扩展名，扩展名里填“shader”，编辑器选VC++，点击添加；
  • 重启VS，Done。

Shader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    // ...
}

2014-0720-1707-17-42.png函数


Shader的名字会直接决定shader在material里出现的路径工具

SubShader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
    SubShader
    {
        //...
    }
}

一个Shader有多个SubShader。一个SubShader可理解为一个Shader的一个渲染方案。即SubShader是为了针对不一样的渲染状况而编写的。每一个Shader至少1个SubShader、理论能够无限多个，但每每两三个就足够。
一个时刻只会选取一个SubShader进行渲染，具体SubShader的选取规则包括：

  • 从上到下选取
  • SubShader的标签、Pass的标签
    • 是否符合当前的“Unity渲染路径”
    • 是否符合当前的ReplacementTag
  • SubShader是否和当前的GPU兼容
  • 等

按此规则第一个被选取的SubShader将会用于渲染，未被选取的SubShader在此次渲染将被忽略。

SubShader的Tag

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
    SubShader
    {
        Tags { "Queue"="Geometry+10" "RenderType"="Opaque" }
        //...
    }
}

SubShader内部能够有标签（Tags）的定义。Tag指定了这个SubShader的渲染顺序（时机），以及其余的一些设置。

  • "RenderType"标签。Unity能够运行时替换符合特定RenderType的全部Shader。Camera.RenderWithShader或Camera.SetReplacementShader配合使用。Unity内置的RenderType包括：
    • "Opaque"：绝大部分不透明的物体都使用这个；
    • "Transparent"：绝大部分透明的物体、包括粒子特效都使用这个；
    • "Background"：天空盒都使用这个；
    • "Overlay"：GUI、镜头光晕都使用这个；
    • 用户也能够定义任意本身的RenderType这个标签所取的值。
    • 应注意，Camera.RenderWithShader或Camera.SetReplacementShader不要求标签只能是RenderType，RenderType只是Unity内部用于Replace的一个标签而已，你也能够自定义本身全新的标签用于Replace。
      好比，你为本身的ShaderA.SubShaderA1（会被Unity选取到的SubShader，常为Shader文件中的第一个SubShader）增长Tag为"Distort"="On"，而后将"Distort"做为参数replacementTag传给函数。此时，做为replacementShader实参的ShaderB.SubShaderB1中如有也有如出一辙的"Distort"="On"，则此SubShaderB1将代替SubShaderA1用于本次渲染。
    • 具体可参考Rendering with Replaced Shaders
  • "Queue"标签。定义渲染顺序。预制的值为
    • "Background"。值为1000。好比用于天空盒。
    • "Geometry"。值为2000。大部分物体在这个队列。不透明的物体也在这里。这个队列内部的物体的渲染顺序会有进一步的优化（应该是从近到远，early-z test能够剔除不需通过FS处理的片元）。其余队列的物体都是按空间位置的从远到近进行渲染。
    • "AlphaTest"。值为2450。已进行AlphaTest的物体在这个队列。
    • "Transparent"。值为3000。透明物体。
    • "Overlay"。值为4000。好比镜头光晕。
    • 用户能够定义任意值，好比"Queue"="Geometry+10"
  • "ForceNoShadowCasting"，值为"true"时，表示不接受阴影。
  • "IgnoreProjector"，值为"true"时，表示不接受Projector组件的投影。

另，关于渲染队列和Batch的非官方经验总结是，一帧的渲染队列的生成，依次决定于每一个渲染物体的：

  • Shader的RenderType tag,
  • Renderer.SortingLayerID,
  • Renderer.SortingOrder,
  • Material.renderQueue（默认值为Shader里的"Queue"）,
  • Transform.z(ViewSpace)（默认为按z值从前到后，但当Queue是“Transparent”的时候，按z值从后到前）。

这个渲染队列决定了以后（可能有dirty flag的机制？）渲染器再依次遍历这个渲染队列，“同一种”材质的渲染物体合到一个Batch里。

Pass

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
    SubShader {
        Pass
        {
            //...
        }
    }
}

一个SubShader（渲染方案）是由一个个Pass块来执行的。每一个Pass都会消耗对应的一个DrawCall。在知足渲染效果的状况下尽量地减小Pass的数量。

Pass的Tag

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
    SubShader {
        Pass
        {
            Tags{ "LightMode"="ForwardBase" }
            //...
        }
    }
}

和SubShader有本身专属的Tag相似，Pass也有Pass专属的Tag。
其中最重要Tag是 "LightMode"，指定Pass和Unity的哪种渲染路径（“Rendering Path”）搭配使用。除最重要的ForwardBase、ForwardAdd外，这里需额外提醒的Tag取值可包括：

  • Always，永远都渲染，但不处理光照
  • ShadowCaster，用于渲染产生阴影的物体
  • ShadowCollector，用于收集物体阴影到屏幕坐标Buff里。

其余渲染路径相关的Tag详见下面章节“Unity渲染路径种类”。
具体全部Tag取值，可参考ShaderLab syntax: Pass Tags。

FallBack

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{
    SubShader { Pass {} }

    FallBack "Diffuse" // "Diffuse"即Unity预制的固有Shader
    // FallBack Off //将关闭FallBack
}

当本Shader的全部SubShader都不支持当前显卡，就会使用FallBack语句指定的另外一个Shader。FallBack最好指定Unity本身预制的Shader实现，因其通常可以在当前全部显卡运行。

Properties

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {
    _Range ("My Range", Range (0.02,0.15)) = 0.07 // sliders
    _Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color
    _2D ("My Texture 2D", 2D) = "" {} // textures
    _Rect("My Rectangle", Rect) = "name" { }
    _Cube ("My Cubemap", Cube) = "name" { }
    _Float ("My Float", Float) = 1
    _Vector ("My Vector", Vector) = (1,2,3,4)

    // Display as a toggle.
    [Toggle] _Invert ("Invert color?", Float) = 0
    // Blend mode values
    [Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)] _Blend ("Blend mode", Float) = 1
    //setup corresponding shader keywords.
    [KeywordEnum(Off, On)] _UseSpecular ("Use Specular",  Float) = 0
    }

    // Shader
    SubShader{
        Pass{
          //...
          uniform float4 _Color;
          //...
          float4 frag() : COLOR{ return fixed4(_Color); }
          //...
             #pragma multi_compile __ _USESPECULAR_ON
          }
    }

    //fixed pipeline
    SubShader    {
        Pass{
            Color[_Color]
        }
    }
}
  • Shader在Unity编辑器暴露给美术的参数，经过Properties来实现。
  • 全部可能的参数如上所示。主要也就Float、Vector和Texture这3类。
  • 除了经过编辑器编辑Properties，脚本也能够经过Material的接口（好比SetFloat、SetTexture编辑）
  • 以后在Shader程序经过[name]（固定管线）或直接name（可编程Shader）访问这些属性。
  • 在每个Property前面也能相似C#那样添加Attribute，以达到额外UI面板功能。详见MaterialPropertyDrawer.html。

Shader中的数据类型

有3种基本数值类型：float、half和fixed。
这3种基本数值类型能够再组成vector和matrix，好比half3是由3个half组成、float4x4是由16个float组成。

  • float：32位高精度浮点数。
  • half：16位中精度浮点数。范围是[-6万, +6万]，能精确到十进制的小数点后3.3位。
  • fixed：11位低精度浮点数。范围是[-2, 2]，精度是1/256。

数据类型影响性能

  • 精度够用就好。
    • 颜色和单位向量，使用fixed
    • 其余状况，尽可能使用half（即范围在[-6万, +6万]内、精确到小数点后3.3位）；不然才使用float。

ShaderLab中的Matrix

当提到“Row-Major”、“Column-Major”，根据不一样的场合，它们可能指不一样的意思：

  • 数学上的，主要是指矢量V是Row Vector、仍是Column Vector。引用自[Game Engine Architecture 2nd Edition, 183]。留意到V和M的乘法，当是Row Vector的时候，数学上写做VM，Matrix在右边，Matrix的最下面一行表示Translate；当是Column Vector的时候，数学上写做MtVt，Matrix在左边而且须要转置，Matrix最右面一列表示Translate。
  • 访问接口上的：Row-Major即MyMatrix[Row][Column]、Column-Major即MyMatrix[Column][Row]。HLSL/CG的访问接口都是Row-Major，好比MyMatrix[3]返回的是第3行；GLSL的访问接口是Column-Major，好比MyMatrix[3]返回的是第3列。
  • 寄存器存储上的：每一个元素是按行存储在寄存器中、仍是按列存储在寄存器中。须要关注它的通常状况举例是，float2x3的MyMatrix，究竟是占用2个寄存器（Row-Major）、仍是3个寄存器（Column-Major）。在HLSL里，能够经过#pragmapack_matrix设定row_major或者column_major。

上述状况，互不相干。
而后，ShaderLab中，数学上是Column Vector、访问接口上是Row-Major、存储上是（还没有查明）。另外，ShaderLab在World Space是左手坐标系、View Space是右手坐标系、在Normalized Device Coordinates里是左手坐标系。

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
    // 1 、二、3是等价的，和4是不等价的
    // 由于是M在左、V在右，因此是Column Vector
    // 由于是HLSL/CG语言，因此是访问方式是Row-Major
    o.rootInView = mul(UNITY_MATRIX_MV, float4(0, 0, 0, 1)); // 1
    o.rootInView = float4(UNITY_MATRIX_MV[0].w, UNITY_MATRIX_MV[1].w, UNITY_MATRIX_MV[2].w, 1); // 2                
    o.rootInView = UNITY_MATRIX_MV._m03_m13_m23_m33;  // 3
    //o.rootInView = UNITY_MATRIX_MV[3]; // 4

    return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // 由于是ViewSpace是右手坐标系，因此当root在view前面的时候，z是负数，因此须要-z才能正确显示颜色
    fixed4 col = fixed4(i.rootInView.x, i.rootInView.y, -i.rootInView.z, 1);
    return col;
}

struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
};
struct v2f
{
    float4 rootInView : TEXCOORD0;
    float4 vertex : SV_POSITION;
};

Shader形态

Shader形态之1：固定管线

固定管线是为了兼容老式显卡。都是顶点光照。以后固定管线多是被Unity抛弃的功能，因此最好不学它、当它不存在。特征是里面出现了形以下面Material块、没有CGPROGRAM和ENDCG块。

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {
    _Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color
    }

    // Fixed Pipeline
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Material{
            Diffuse [_Color]
            Ambient [_Color]
            }

            Lighting On
        }
    }
}

Shader形态之2：可编程Shader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {}

    SubShader
    {
        Pass
        {
          // ... the usual pass state setup ...

          CGPROGRAM
          // compilation directives for this snippet, e.g.:
          #pragma vertex vert
          #pragma fragment frag

          // the Cg/HLSL code itself
          float4 vert(float4 v:POSITION) : SV_POSITION{
              return mul(UNITY_MATRIX_MVP, v);
          }
          float4 frag() : COLOR{
              return fixed4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
          }
          ENDCG
          // ... the rest of pass setup ...
          }
    }
}
  • 功能最强大、最自由的形态。
  • 特征是在Pass里出现CGPROGRAM和ENDCG块
  • 编译指令#pragma。详见官网Cg snippets。其中重要的包括：
编译指令 示例/含义
#pragma vertex name
#pragma fragment name		 替换name，来指定Vertex Shader函数、Fragment Shader函数。
#pragma target name 替换name（为2.0、3.0等）。设置编译目标shader model的版本。
#pragma only_renderers name name ...
#pragma exclude_renderers name name...		 #pragma only_renderers gles gles3，
#pragma exclude_renderers d3d9 d3d11 opengl，
只为指定渲染平台（render platform）编译
  • 引用库。经过形如#include "UnityCG.cginc"引入指定的库。经常使用的就是UnityCG.cginc了。其余库详见官网Built-in shader include files。
  • ShaderLab内置值。Unity给Shader程序提供了便捷的、经常使用的值，好比下面例子中的UNITY_MATRIX_MVP就表明了这个时刻的MVP矩阵。详见官网ShaderLab built-in values。
  • Shader输入输出参数语义（Semantics）。在管线流程中每一个阶段之间（好比Vertex Shader阶段和FragmentShader阶段之间）的输入输出参数，经过语义字符串，来指定参数的含义。经常使用的语义包括：COLOR、SV_Position、TEXCOORD[n]。完整的参数语义可见HLSL Semantic（因为是HLSL的链接，因此可能不彻底在Unity里可使用）。
  • 特别地，由于Vertex Shader的的输入每每是管线的最开始，Unity为此内置了经常使用的数据结构：
数据结构 含义
appdata_base vertex shader input with position, normal, one texture coordinate.
appdata_tan vertex shader input with position, normal, tangent, one texture coordinate.
appdata_full vertex shader input with position, normal, tangent, vertex color and two texture coordinates.
appdata_img vertex shader input with position and one texture coordinate.

Shader形态之3：SurfaceShader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {   }

    // Surface Shader
    SubShader {
      Tags { "RenderType" = "Opaque" }
      CGPROGRAM
      #pragma surface surf Lambert
      struct Input {
          float4 color : COLOR;
      };
      void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
          o.Albedo = 1;
      }
      ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}
  • SurfaceShader能够认为是一个光照Shader的语法糖、一个光照VS/FS的生成器。减小了开发者写重复代码的须要。
  • 在手游，因为对性能要求比较高，因此不建议使用SurfaceShader。由于SurfaceShader是一个比较“通用”的功能，而通用每每致使性能不高。
  • 特征是在SubShader里出现CGPROGRAM和ENDCG块。（而不是出如今Pass里。由于SurfaceShader本身会编译成多个Pass。）
  • 编译指令是：
    #pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]
    • surfaceFunction：surfaceShader函数，形如void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
    • lightModel：使用的光照模式。包括Lambert（漫反射）和BlinnPhong（镜面反射）。
      • 也能够本身定义光照函数。好比编译指令为#pragma surface surf MyCalc
  • 你定义输入数据结构（好比上面的Input）、编写本身的Surface函数处理输入、最终输出修改事后的SurfaceOutput。SurfaceOutput的定义为 
    struct SurfaceOutput {
  half3 Albedo; // 纹理颜色值（r, g, b)
  half3 Normal; // 法向量(x, y, z)
  half3 Emission; // 自发光颜色值(r, g, b)
  half Specular; // 镜面反射度
  half Gloss; // 光泽度
  half Alpha; // 不透明度
};

Shader形态之4：Compiled Shader

点击a.shader文件的“Compile and show code”，能够看到该文件的“编译”事后的ShaderLab shader文件，文件名形如Compiled-a.shader。
其依然是ShaderLab文件，其包含最终提交给GPU的shader代码字符串。
先就其结构进行简述以下，会发现和上述的编译前ShaderLab结构很类似。

// Compiled shader for iPhone, iPod Touch and iPad, uncompressed size: 36.5KB
// Skipping shader variants that would not be included into build of current scene.
Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {...}
    SubShader {
        // Stats for Vertex shader:
        //        gles : 14 avg math (11..19), 1 avg texture (1..2)
        //       metal : 14 avg math (11..17)
        // Stats for Fragment shader:
        //       metal : 14 avg math (11..19), 1 avg texture (1..2)
        Pass {
            Program "vp" // vertex program
            {
                SubProgram "gles" {
                    // Stats: 11 math, 1 textures
                    Keywords{...} // keywords for shader variants ("uber shader")

                    //shader codes in string
                    "
                    #ifdef VERTEX
                    vertex shader codes
                    #endif

                    // Note, on gles, fragment shader stays here inside Program "vp"
                    #ifdef FRAGMENT
                    fragment shader codes
                    #endif
                    " 
                }

                SubProgram "metal"  {
                    some setup
                    Keywords{...}

                    //vertex shader codes in string
                    "..."
                }
            }

            Program "fp" // fragment program
            {
                SubProgram "gles" {
                    Keywords{...}
                    "// shader disassembly not supported on gles" //(because gles fragment shader codes are in Program "vp") 
                }

                SubProgram "metal" {
                    common setup
                    Keywords{...}

                    //fragment shader codes in string
                    "..."
                }
            }
        }
    }

    ...
}

Unity渲染路径（Rendering Path）种类

概述

开发者能够在Unity工程的PlayerSettings设置对渲染路径进行3选1：

  • Deferred Lighting，延迟光照路径。3者中最高质量地还原光照阴影。光照性能只与最终像素数目有关，光源数量再多都不会影响性能。
  • Forward Rendering，顺序渲染路径。能发挥出Shader所有特性的渲染路径，固然也就支持像素级光照。最经常使用、功能最自由，性能与光源数目*受光照物体数目有关，具体性能视乎其具体使用到的Shader的复杂度。
  • Vertex Lit，顶点光照路径。顶点级光照。性能最高、兼容性最强、支持特性最少、品质最差。

渲染路径的内部阶段和Pass的LightMode标签

每一个渲染路径的内部会再分为几个阶段。
而后，Shader里的每一个Pass，均可以指定为不一样的LightMode。而LightMode实际就是说：“我但愿这个Pass在这个XXX渲染路径的这个YYY子阶段被执行”。

Deferred Ligting

渲染路径内部子阶段 对应的LightMode 描述
Base Pass "PrepassBase" 渲染物体信息。即把法向量、高光度到一张ARGB32的物体信息纹理上，把深度信息保存在Z-Buff上。
Lighting Pass 无对应可编程Pass 根据Base Pass得出的物体信息，在屏幕坐标系下，使用BlinnPhong光照模式，把光照信息渲染到ARGB32的光照信息纹理上（RGB表示diffuse颜色值、A表示高光度）
Final Pass "PrepassFinal" 根据光照信息纹理，物体再渲染一次，将光照信息、纹理信息和自发光信息最终混合。LightMap也在这个Pass进行。

Forward Rendering

渲染路径内部子阶段 对应的LightMode 描述
Base Pass "ForwardBase" 渲染：最亮一个的方向光光源（像素级）和对应的阴影、全部顶点级光源、LightMap、全部LightProbe的SH光源（Sphere Harmonic，球谐函数，效率超高的低频光）、环境光、自发光。
Additional Passes "ForwardAdd" 其余须要像素级渲染的的光源

注意到的是，在Forward Rendering中，光源多是像素级光源、顶点级光源或SH光源。其判断标准是：

  • 配制成“Not Important”的光源都是顶点级光源和SH光源
  • 最亮的方向光永远都是像素级光源
  • 配置成“Important”的都是像素级光源
  • 上面2种状况加起来的像素级光源数目小于“Quality Settings”里面的“Pixel Light Count”的话，会把第1种状况的光源补为额外的像素级光源。

另外，配置成“Auto”的光源有更复杂的判断标注，截图以下：

2014-0720-1607-31-40.png


具体可参考Forward Rendering Path Details。

Vertex Lit

渲染路径内部子阶段 对应的LightMode 描述
Vertex "Vertex" 渲染无LightMap物体
VertexLMRGBM "VertexLMRGBM" 渲染有RGBM编码的LightMap物体
VertexLM "VertexLM" 渲染有双LDR编码的LightMap物体

不一样LightMode的Pass的被选择

一个工程的渲染路径是惟一的，但一个工程里的Shader是容许配有不一样LightMode的Pass的。 在Unity，策略是“从工程配置的渲染路径模式开始，按Deferred、Forward、VertxLit的顺序，搜索最匹配的LightMode的一个Pass”。 好比，在配置成Deferred路径时，优先选有Deferred相关LightMode的Pass；找不到才会选Forward相关的Pass；还找不到，才会选VertexLit相关的Pass。 再好比，在配置成Forward路径时，优先选Forward相关的Pass；找不到才会选VertexLit相关的Pass。

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