ShaderLab學習總結

時間 2019-12-08

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Unity ShaderLab學習總結

Why Bothers？

爲何已經有ShaderForge這種可視化Shader編輯器、爲何Asset Store已經有那麼多炫酷的Shader組件可下載，仍是有必要學些Shader的編寫？
編程

由於上面這些Shader工具/組件最終都是以Shader文件的形式而存在。
須要開發人員/技術美術有能力對Shader進行功能分析、效率評估、選擇、優化、甚至是Debug。
對於特殊的需求，可能仍是直接編寫Shader比較實際、高效。

總之，Shader編寫是重要的；但至於緊不緊急，視乎項目需求。windows

參考資源

Youtube：https://www.youtube.com/watch?v=hDJQXzajiPg （包括part1-6）。視頻是最佳的學習方式沒有之一，因此牆裂建議就算不看下文的全部內容，都要去看一下part1。
書籍：《Unity 3D ShaderLab開發實戰詳解》
Unity各類官方文檔

涉及範圍

本文只討論Unity ShaderLab相關的知識和使用方法。但，數據結構

既不討論渲染相關的基礎概念；
- 基礎概念可參考Rendering Pipeline Overview等文章。
- 做爲移動設備GPU和桌面GPU的最大不一樣點，tile-based deferred rendering 也是重要的概念。
也不討論具體的渲染技巧。

使用Shader

如上圖，一句話總結：
1. GameObject裏有MeshRenderer，
2. MeshRenderer裏有Material列表，
3. 每一個Material裏有且只有一個Shader；
4. Material在編輯器暴露該Shader的可調屬性。
因此關鍵是怎麼編寫Shader。app

Shader基礎

編輯器

使用MonoDevelop這反人類的IDE來編寫Shader竟然是讓人滿意的。有語法高亮，無語法提示。
若是習慣VisualStudio，能夠以下實現.Shader文件的語法高亮。編輯器

下載做者donaldwu本身添加的關鍵詞文件usertype.dat。其包括了Unity ShaderLab的部分關鍵字，和HLSL的全部關鍵字。關鍵字之後持續添加中。
將下載的usertype.dat放到Microsoft Visual Studio xx.x\CommonX\IDE\文件夾下；
打開VS，工具>選項>文本編輯器>文件擴展名，擴展名裏填「shader」，編輯器選VC++，點擊添加；
重啓VS，Done。

Shader

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

Shader的名字會直接決定shader在material裏出現的路徑ide

SubShader

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

一個Shader有多個SubShader。一個SubShader可理解爲一個Shader的一個渲染方案。即SubShader是爲了針對不一樣的顯卡而編寫的。每一個Shader至少1個SubShader、理論能夠無限多個，但每每兩三個就足夠。
SubShader和顯卡的兼容性判斷，和SubShader的標籤、Pass的標籤和顯卡支持的「Unity渲染路徑」有關。這些都會在下面逐一提到。函數

SubShader的Tag

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

SubShader內部能夠有標籤（Tags）的定義。Tag指定了這個SubShader的渲染順序（時機），以及其餘的一些設置。工具

"Queue"標籤。定義渲染順序。預製的值爲
- "Background"。值爲1000。好比用於天空盒。
- "Geometry"。值爲2000。大部分物體在這個隊列。不透明的物體也在這裏。這個隊列內部的物體的渲染順序會有進一步的優化（應該是從近到遠，early-z test能夠剔除不需通過FS處理的片元）。其餘隊列的物體都是按空間位置的從遠到近進行渲染。
- "AlphaTest"。值爲2450。已進行AlphaTest的物體在這個隊列。
- "Transparent"。值爲3000。透明物體。
- "Overlay"。值爲4000。好比鏡頭光暈。
- 用戶能夠定義任意值，好比"Queue"="Geometry+10"
"RenderType"標籤。Unity能夠運行時替換符合特定RenderType的全部Shader。Camera.RenderWithShader或者Camera.SetReplacementShader配合使用。Unity內置的RenderType包括：
- "Opaque"：絕大部分不透明的物體都使用這個；
- "Transparent"：絕大部分透明的物體、包括粒子特效都使用這個；
- "Background"：天空盒都使用這個；
- "Overlay"：GUI、鏡頭光暈都使用這個；
- 還有其餘可參考Rendering with Replaced Shaders；用戶也能夠定義任意本身的RenderType字符串。
"ForceNoShadowCasting"，值爲"true"時，表示不接受陰影。
"IgnoreProjector"，值爲"true"時，表示不接受Projector組件的投影。

Pass

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

一個SubShader（渲染方案）是由一個個Pass塊來執行的。每一個Pass都會消耗對應的一個DrawCall。在知足渲染效果的狀況下儘量地減小Pass的數量。性能

Pass的Tag

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

和SubShader有本身專屬的Tag相似，Pass也有Pass專屬的Tag。
其中最重要Tag是 "LightMode"，指定Pass和Unity的哪種渲染路徑（「Rendering Path」）搭配使用。這裏須要描述的Tag取值可包括：

Always，永遠都渲染，但不處理光照
ShadowCaster，用於渲染產生陰影的物體
ShadowCollector，用於收集物體陰影到屏幕座標Buff裏。

其餘渲染路徑相關的Tag詳見下面章節「Unity渲染路徑種類」。
具體全部Tag取值，可參考ShaderLab syntax: Pass Tags。

FallBack

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

    FallBack "Diffuse" // "Diffuse"即Unity預製的固有Shader
    // FallBack Off //將關閉FallBack
}

當本Shader的全部SubShader都不支持當前顯卡，就會使用FallBack語句指定的另外一個Shader。FallBack最好指定Unity本身預製的Shader實現，因其通常可以在當前全部顯卡運行。

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)
    }

    // Shader
    SubShader{
        Pass{
          //...
          uniform float4 _Color;
          //...
          float4 frag() : COLOR{ return fixed4(_Color); }
          //...
          }
    }

    //fixed pipeline
    SubShader    {
        Pass{
            Color[_Color]
        }
    }
}

Shader在Unity編輯器暴露給美術的參數，經過Properties來實現。
全部可能的參數如上所示。主要也就Float、Vector和Texture這3類。
除了經過編輯器編輯Properties，腳本也能夠經過Material的接口（好比SetFloat、SetTexture編輯）
以後在Shader程序經過[name]（固定管線）或直接name（可編程Shader）訪問這些屬性。

Shader中的數據類型

有3種基本數值類型：float、half和fixed。
這3種基本數值類型能夠再組成vector和matrix，好比half3是由3個half組成、float4x4是由16個float組成。

float：32位高精度浮點數。
half：16位中精度浮點數。範圍是[-6萬, +6萬]，能精確到十進制的小數點後3.3位。
fixed：11位低精度浮點數。範圍是[-2, 2]，精度是1/256。

數據類型影響性能

精度夠用就好。
- 顏色和單位向量，使用fixed
- 其餘狀況，儘可能使用half（即範圍在[-6萬, +6萬]內、精確到小數點後3.3位）；不然才使用float。
不要將低精度fixed類型轉換爲更高的精度，不然會產生性能問題。
低精度fixed不要使用「swizzle」（即形如myFixed4.xyzw、myFixed2.xyxy，中文不知咋譯，「攪和
訪問」？），不然會產生性能問題。

做者donaldwu說：swizzle在編寫Shader裏是常常用到的，但到底怎樣纔算swizzle？myFixed4.x算不算？myFixed4.xyzw算不算？myFixed4.xyxy算不算？仍是都算？
這個目前沒有找到權威的定義，因此爲了避免要影響效率，建議fixed儘可能不要出現上面任意一種形式。

Shader形態

Shader形態之1：固定管線

固定管線是爲了兼容老式顯卡。都是頂點光照。以後固定管線多是被Unity拋棄的功能，因此最好不學它、當它不存在。特徵是裏面出現了形以下面Material塊、沒有CGPROGRAM和ENDCG塊。

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形態之2：可編程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 ...
          }
    }
}

功能最強大、最自由的形態。
特徵是在Pass裏出現CGPROGRAM和ENDCG塊
編譯指令#pragma。詳見官網Cg snippets。其中重要的包括：

編譯指令	示例/含義
`#pragma vertex name` `#pragma fragment name`	替換name，來指定Vertex Shader函數、Fragment Shader函數。
`#pragma target name`	替換name（爲`2.0`、`3.0`等）。設置編譯目標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`，只爲指定渲染平臺（render platform）編譯

引用庫。經過形如#include "UnityCG.cginc"引入指定的庫。經常使用的就是UnityCG.cginc了。其餘庫詳見官網Built-in shader include files。
ShaderLab內置值。Unity給Shader程序提供了便捷的、經常使用的值，好比下面例子中的UNITY_MATRIX_MVP就表明了這個時刻的MVP矩陣。詳見官網ShaderLab built-in values。
Shader輸入輸出參數語義（Semantics）。在管線流程中每一個階段之間（好比Vertex Shader階段和FragmentShader階段之間）的輸入輸出參數，經過語義字符串，來指定參數的含義。經常使用的語義包括：COLOR、SV_Position、TEXCOORD[n]。完整的參數語義可見HLSL Semantic（因爲是HLSL的鏈接，因此可能不徹底在Unity裏可使用）。
特別地，由於Vertex Shader的的輸入每每是管線的最開始，Unity爲此內置了經常使用的數據結構：

數據結構	含義
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形態之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能夠認爲是一個光照Shader的語法糖、一個光照VS/FS的生成器。減小了開發者寫重複代碼的須要。
在手遊，因爲對性能要求比較高，因此不建議使用SurfaceShader。由於SurfaceShader是一個比較「通用」的功能，而通用每每致使性能不高。
特徵是在SubShader裏出現CGPROGRAM和ENDCG塊。（而不是出如今Pass裏。由於SurfaceShader本身會編譯成多個Pass。）
編譯指令是：
#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]
- surfaceFunction：surfaceShader函數，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（鏡面反射）。
  - 也能夠本身定義光照函數。好比編譯指令爲#pragma surface surf MyCalc
    - 在Shader裏定義half4 LightingMyCalc (SurfaceOutput s, 參數略)函數進行處理(函數名在簽名加上了「Lighting」）。
    - 詳見Custom Lighting models in Surface Shaders

你定義輸入數據結構（好比上面的Input）、編寫本身的Surface函數處理輸入、最終輸出修改事後的SurfaceOutput。SurfaceOutput的定義爲

struct SurfaceOutput {
  half3 Albedo; // 紋理顏色值（r, g, b)
  half3 Normal; // 法向量(x, y, z)
  half3 Emission; // 自發光顏色值(r, g, b)
  half Specular; // 鏡面反射度
  half Gloss; // 光澤度
  half Alpha; // 不透明度
};

Unity渲染路徑（Rendering Path）種類

概述

開發者能夠在Unity工程的PlayerSettings設置對渲染路徑進行3選1：

Deferred Lighting，延遲光照路徑。3者中最高質量地還原光照陰影。光照性能只與最終像素數目有關，光源數量再多都不會影響性能。
Forward Rendering，順序渲染路徑。能發揮出Shader所有特性的渲染路徑，固然也就支持像素級光照。最經常使用、功能最自由，性能與光源數目*受光照物體數目有關，具體性能視乎其具體使用到的Shader的複雜度。
Vertex Lit，頂點光照路徑。頂點級光照。性能最高、兼容性最強、支持特性最少、品質最差。

渲染路徑的內部階段和Pass的LightMode標籤

每一個渲染路徑的內部會再分爲幾個階段。
而後，Shader裏的每一個Pass，均可以指定爲不一樣的LightMode。而LightMode實際就是說：「我但願這個Pass在這個XXX渲染路徑的這個YYY子階段被執行」。

Deferred Ligting

渲染路徑內部子階段	對應的LightMode	描述
Base Pass	`"PrepassBase"`	渲染物體信息。即把法向量、高光度到一張ARGB32的*物體信息紋理*上，把深度信息保存在Z-Buff上。
Lighting Pass	無對應可編程Pass	根據Base Pass得出的物體信息，在屏幕座標系下，使用BlinnPhong光照模式，把光照信息渲染到ARGB32的*光照信息紋理*上（RGB表示diffuse顏色值、A表示高光度）
Final Pass	`"PrepassFinal"`	根據*光照信息紋理*，物體再渲染一次，將光照信息、紋理信息和自發光信息最終混合。LightMap也在這個Pass進行。

Forward Rendering

渲染路徑內部子階段	對應的LightMode	描述
Base Pass	`"ForwardBase"`	渲染：最亮一個的方向光光源（像素級）和對應的陰影、全部頂點級光源、LightMap、全部LightProbe的SH光源（Sphere Harmonic，球諧函數，效率超高的低頻光）、環境光、自發光。
Additional Passes	`"ForwardAdd"`	其餘須要像素級渲染的的光源

注意到的是，在Forward Rendering中，光源多是像素級光源、頂點級光源或SH光源。其判斷標準是：

配製成「Not Important」的光源都是頂點級光源和SH光源
最亮的方向光永遠都是像素級光源
配置成「Important」的都是像素級光源
上面2種狀況加起來的像素級光源數目小於「Quality Settings」裏面的「Pixel Light Count」的話，會把第1種狀況的光源補爲額外的像素級光源。

另外，配置成「Auto」的光源有更復雜的判斷標註，截圖以下：

具體可參考Forward Rendering Path Details。

Vertex Lit

渲染路徑內部子階段	對應的LightMode	描述
Vertex	`"Vertex"`	渲染無LightMap物體
VertexLMRGBM	`"VertexLMRGBM"`	渲染有RGBM編碼的LightMap物體
VertexLM	`"VertexLM"`	渲染有雙LDR編碼的LightMap物體

不一樣LightMode的Pass的被選擇

一個工程的渲染路徑是惟一的，但一個工程裏的Shader是容許配有不一樣LightMode的Pass的。在Unity，策略是「從工程配置的渲染路徑模式開始，按Deferred、Forward、VertxLit的順序，搜索最匹配的LightMode的一個Pass」。好比，在配置成Deferred路徑時，優先選有Deferred相關LightMode的Pass；找不到纔會選Forward相關的Pass；還找不到，纔會選VertexLit相關的Pass。再好比，在配置成Forward路徑時，優先選Forward相關的Pass；找不到纔會選VertexLit相關的Pass。

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