浅谈Unity中的Shader

一、shader基础知识

1.1、什么是shader

在讲什么是shader之前我们先看看下面两段代码 

这两段代码实现的功能都是提取 2d 图像上每个像素点的颜色值，第一段代码是用c++写的，在cup上面运行，它需要循环遍历每个像素点，第二段代码是cg代码，在gpu上面运行，它只需要一行代码就能实现同样的功能。gpu是专门用来进行图形处理的，而shader，就是gpu执行的一段针对3d对象进行操作的程序。

*上对shader的解释是这样

shader（着色器）应用于计算机图形学领域，指一组供计算机图形资源在执行渲染任务时使用的指令，用于计算图像的颜色或明暗。但近来，它也能用于处理一些特殊效果，或者视频后处理。通俗地说，着色器告诉电脑如何用特有的一种方法去绘制物体。

程序员将着色器应用于图形处理器（gpu）的可编程流水线，来实现三维应用程序。这样的图形处理器有别于传统的固定流水线处理器，为gpu编程带来更高的灵活性和适应性。以前固有的流水线只能进行一些几何变换和像素灰度计算。现在可编程流水线还能处理所有像素、顶点、纹理的位置、色调、饱和度、明度、对比度并实时地绘制图像。着色器还能产生如模糊、高光、有体积光源、失焦、卡通渲染、色调分离、畸变、凹凸贴图、边缘检测、运动检测等效果。

1.2、opengl的渲染流程

知道了什么是shader，我们再来了解一下shader的种类，首先我先介绍一下opengl的渲染流程

上图便是opengl的渲染流程，将这个流程简化之后是这样的 

顶点变换 → 图元装配和光栅化 → 片元纹理映射和着色 → 写入帧缓存

在顶点变换和片元着色这两步时，我们就可以对其编程，进行各种操作，其他的部分我们是没法进行编程的。我们的shader就是作用于顶点变换和片元着色这两个部分的。

1.3、shader的种类

知道了shader起作用的地点，我们现在可以了解一下shader的种类了。

shader按管线分类一般分为固定渲染管线与可编程渲染管线。固定渲染管线就是功能固定的管线，比如物体表面光的折射，反射的算法是固定无法修改的，我们只能对这些功能进行配置，比如开启或关闭反射效果，雾化效果等。因为这种管线功能固定，无法在程序上对物体细节的表现给予更多更*的控制，无法达到更多我们想要的画面效果。所以现在的显卡都是可编程渲染管线，也就是曾经那些我们固定无法修改的部门现在可以编程去修改，*度高了之后，我们也就能实现更多自己想要的特效了。

1.4、shader的开发语言

知道了shader的种类，我在来说说shader的开发语言

hlsl: 主要用于direct3d。平台:windows。

glsl: 主要用于opengl。 平台:移动平台（ios，安卓），mac(only use when you target mac os x or opengl es 2.0)

cg：与directx 9.0以上以及opengl 完全兼容。运行时或事先编译成gpu汇编代码。cg比hlsl、glsl支持更多的平台，unity shader采用cg/hlsl作为开发语言。

二、unity中shader知识介绍

2.1、shader在gpu的渲染流程

进入gpu运算首先进行的是vertex processor顶点处理器，这个部分就需要我们使用vertex shader顶点着色器，顶点着色器运算的结果会交给pixel processor像素处理器，也就是片段处理器，在这个部分我需要为像素处理编写pixel shader像素着色器程序，这部分计算完后就输出了最终我们可以用于在屏幕上的颜色信息，我们把它叫做frame buffer帧缓冲。帧缓冲存储的是计算机依次显示所要的数据。

2.2、unity中shader的类型

①fixed function shader ：属于固定渲染管线 shader, 基本用于高级shader在老显卡无法显示时的回滚。使用的是shaderlab语言，语法与微软的fx files 或者nvidia的 cgfx类似。

②vertex and fragment shader：最强大的shader类型，属于可编程渲染管线. 使用的是cg/hlsl语法。

③surface shader：unity3d推崇的shader类型，使用unity预制的光照模型来进行光照运算。使用的也是cg/hlsl语法。

我们先了解一下这三种shader的异同点。

相同点： 

①都必须从唯一一个根shader开始 
②properties参数部分，作用及语法完全相同 
③具体功能都在subshader里(subshader会自上而下运行第一个硬件能支持的) 
④subshader都可以打标签 
⑤都可以回滚 
⑥都可以处理基本的功能，例如光照漫反射（diffuse）以及镜面反射（specular）。但是vertex and fragment和surface都能实现fixed function实现不了的高级功能，例如基于uv计算的效果等等。

不同点 

①fixed function shader以及vertex and fragment shader在subshader下面还有pass{}结构,但是surface shader，已经将具体内容打包在光照模型了，不能加pass{} 
②fixed function shader每句代码之后没有分号“;”, 但是v&f shader以及surface shader每句代码之后都必须加分号“;” 
③核心结构不同 

fixed function shader的sunshader中的结构为

material{} 
……
settexture[_maintex]{
    ……
}

vertex and fragment shader的核心结构为

cgprogram
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag   
……       
#include "unitycg.cginc"
endcg

surface shader的核心结构是

cgprogram
#pragma surface surf lambert
……
endcg

可以看到这三种shader的subshader内的编码实现是不一样的,这三种shader的结构如下图，他们的不同点都在subshader里面 

因为unity推荐surface shader，所以文章直接分析surface shader的用法，其他两种shader就不做过多介绍了。

三、surface shader语法

在unity的项目面板中直接创建一个stander surface shader，默认生成的代码如下

shader "custom/diffuseshader" {
    properties {
        _color ("color", color) = (1,1,1,1)       //设置一个默认的颜色值
        _maintex ("albedo (rgb)", 2d) = "white" {}  //默认的白色纹理
        _glossiness ("smoothness", range(0,1)) = 0.5  //默认的光泽度
        _metallic ("metallic", range(0,1)) = 0.0    //金属光泽度
    }
    subshader {
        tags { "rendertype"="opaque"}
        lod 200
 
        cgprogram
        // physically based standard lighting model, and enable shadows on all light types
        #pragma surface surf standard fullforwardshadows
 
        // use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0
 
 
        fixed4 _color;
        sampler2d _maintex;
        half _glossiness;
        half _metallic;
 
 
        struct input {
            float2 uv_maintex;
        };
 
 
 
        void surf (input in, inout surfaceoutputstandard o) {
            // albedo comes from a texture tinted by color
            fixed4 c = tex2d (_maintex, in.uv_maintex) * _color;
            o.albedo = c.rgb;
            // metallic and smoothness come from slider variables
            o.metallic = _metallic;
            o.smoothness = _glossiness;
            o.alpha = c.a;
        }
        endcg
    }
    fallback "diffuse"
}

接下来我来介绍一下这段代码

properties {｝

properties{}是定义着色器属性的，在这里定义的属性将被作为输入提供给所有的子着色器。属性定义的格式如下

_name(“display name”, type) = defaultvalue[{options}]

_name代表的是属性名，如color，maintex,glossiness ，metallic 等

”display name”则是在inspector中显示的名字

type代表属性：

color - 一种颜色，由rgba（红绿蓝和透明度）四个量来定义；

2d - 一张2的阶数大小（256，512之类）的贴图。这张贴图将在采样后被转为对应基于模型uv的每个像素的颜色，最终被显示出来；

rect - 一个非2阶数大小的贴图；

cube - 即cube map texture（立方体纹理），简单说就是6张有联系的2d贴图的组合，主要用来做反射效果（比如天空盒和动态反射），也会被转换为对应点的采样；

range(min, max) - 一个介于最小值和最大值之间的浮点数，一般用来当作调整shader某些特性的参数（比如透明度渲染的截止值可以是从0至1的值等）；

float - 任意一个浮点数；

vector - 一个四维数；

这段默认properties在inspector中的显示效果如下 

subshader{}

tags ：tags标签是三种类型的shader都具有的标签，它决定了硬件什么调用该子着色器

tags标签里面默认的“rendertype”=”opaque”，是告诉系统应该在渲染非透明物体时调用这个subshader

“rendertype”=”transparent”表示在渲染含有透明效果的物体时调用该sunshader，

tags里面还有许多其他的我们可选的标签

①.”queue”：定义渲染顺序。预制的值有这些 

    ”background”。值为1000。比如用于天空盒。

    ”geometry”。值为2000。大部分物体在这个队列。不透明的物体也在这里。

    ”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。比如镜头光晕。 

    用户可以定义任意值，比如”queue”=”geometry+10”

②“rendertype”：定义渲染类型。预制的值有这些

    ”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； 

③”forcenoshadowcasting”：定义物体是否有阴影效果

    “true”。表示有阴影

    “false”。表示没有阴影

lod：level of detail的缩写，它表示着色器的细节层次效果。在某些硬件比较差的系统上，我们可以设置一个低一点的值，减少细节的显示。unity内置shader的lod值如下

• vertexlit kind of shaders = 100
• decal, reflective vertexlit = 150
• diffuse = 200
• diffuse detail, reflective bumped unlit, reflective bumped vertexlit = 250
• bumped, specular = 300
• bumped specular = 400
• parallax = 500
• parallax specular = 600

从cgprogram 到endcg这一部分就这这个shader的核心内容了

#pragma surface surf standard fullforwardshadows

这段编译指令声明了我们要写一个surface shader，并指定了光照模型。它的写法是这样的

#pragma surface surfacefunction lightmodel [optionalparams]

surface - 声明的是一个表面着色器surfacefunction - 着色器代码的方法的名字lightmodel - 使用的光照模型。

这段代码默认的surfacefunction为surf，我们可以在源码的底部看到在这儿声明了的surf函数。默认的lightmodel为standard。

下面我先介绍一下lightmodel光照模型

• lambert：该光照模型能很好的表示粗糙表面的光照，但不能表现出镜面反射高光
• toon：最近在游戏中常用的风格之一即是toon shading(又称 cel shading).这是一种非逼真渲染风格，通过改变了光在一个模型上反射实际情况来给人以手绘的感觉
• blinnphong：仿真镜面反射材料
• standard：unity5中默认的光照模式是standard, 其引入了 物理渲染 (pbr), 但是与其它光照模型没有什么不同。相比于朗伯反射, pbr提供了一个更加逼真的光线物体作用模型，pbr考虑了材料的物理属性, 比如能量守恒以及光的散射

接下来的这段代码

fixed4 _color;
sampler2d _maintex;
half _glossiness;
half _metallic;

我们可以发现 _color，_maintex,_glossiness,_metallic都shader属性的声明，在上面的properties 中已经声明过了这些属性，但是在这段cg程序，要想访问在properties中所定义的变量的话，必须使用和之前变量相同的名字再次进行声明，其实就是链接在上面properties中声明的属性。

我再来介绍一下shader中常用的数据类型

3种基本数值类型：float、half和fixed。 
这3种基本数值类型可以再组成vector和matrix，比如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。 
sampler2d：2d纹理属性

接下来就是input结构体

struct input {
    float2 uv_maintex;
};

这个结构体和surf函数中的另一个参数inout结构体是相对的，一个代表输入，一个代表输出。我们可以这样理解这两个结构体，你定义输入数据结构（inputs struct）、编写自己的surface函数处理输入、最终输出修改过后的surfaceoutput。input其实是需要我们去定义的结构，所以我们可以把所需要参与计算的数据都放到这个input结构中，传入surf函数使用

默认的input结构体中有一个uv_maintex参数，代表了纹理的uv值，我们便可以在surf函数中直接使用这个参数了。

知道了input的结构体，我们在来看看output的结构体

struct surfaceoutput
{
    fixed3 albedo;  // diffuse color  漫反射的颜色值。
    fixed3 normal;  // tangent space normal, if written 法线坐标
    fixed3 emission;  //自发光颜色
    half specular;  // specular power in 0..1 range 镜面反射系数
    fixed gloss;    // specular intensity   光泽系数
    fixed alpha;    // alpha for transparencies  透明度系数
};

现在我们在来看看surf函数里面的内容，就已经能够看懂了

我们现在在来看看surf函数里面的代码，就能知道里面是什么意思了

void surf (input in, inout surfaceoutputstandard o) {
    fixed4 c = tex2d (_maintex, in.uv_maintex) * _color;
    o.albedo = c.rgb;               //将物体显示的漫反射颜色设置成在纹理的颜色值
    o.metallic = _metallic;         //将物体显示的金属光泽设置成在properties中定义的光泽
    o.smoothness = _glossiness;     //设置物体显示的光滑度
    o.alpha = c.a;                  //设置物体显示的透明度
}

以上就是浅谈unity中的shader的详细内容，更多关于unity shader的资料请关注其它相关文章！