Unity3D shader簡介

Unity3D shader簡介

能夠確定的說Unity3D使得不少開發者開發遊戲更容易。毫無疑問，shader（着色器）編碼，仍有很長的路要走。shader是一個專門運行在GPU的程序，常常被神祕包圍，它最終繪製3D模型的三角形。若是你想給遊戲一個特殊的顯示，學習如何編寫shader是必要的。Unity3D使用shader作後期處理，對2D遊戲也是必不可少的。這個系列的文章將逐步介紹shader編程，並面向幾乎沒有任何shader知識的開發者。

簡介

下圖大體表示了在Unity3D渲染流程中發揮做用的3個不一樣實體：

3D模型本質上是，被稱爲頂點的3D座標集合。他們鏈接在一塊兒構成一些三角形。每一個頂點包含一些其它的信息，如顏色、點指的方向（法線）、紋理映射座標（UV數據）。

沒有材質模型是不能被渲染的。材質包含一個shader和其屬性值的封裝。所以，不一樣材質能夠共享相同的shader，賦予不一樣的數據。

shader剖析

Unity3D支持兩種不一樣的shader：表面shader、片斷和頂點shader。還有第三種類型：固定管線shader，可是現在已通過時了，將不包含在本系列文章。不管你須要的是哪一種類型，shader的結構都同樣：

Shader "MyShader" {   Properties   {     // The properties of your shaders     // - textures     // - colours     // - parameters     // ...   }     SubShader   {     // The code of your shaders     // - surface shader     //    OR     // - vertex and fragment shader     //    OR     // - fixed function shader   }  }

能夠包含多個SubShader，一個接一個。他們包含GPU的實際指令。Unity3D將找到與你顯卡兼容的SubShader，並順序執行他們。這對多平臺編碼是很是有用，由於你能夠在一個文件中編寫同一shader的不一樣版本。

屬性

shader的屬性在某種程度上至關於C#腳本中的public字段，他們將出如今材質的inspector面板，給你機會來調整。但不像腳本，材質是資源：編輯中游戲運行時修改材質的屬性值是永久的。甚至遊戲中止後，修改的屬性值也是有效的。

下面的代碼片斷涵蓋了你能夠在shader中使用的全部基本類型的定義：

3~4行中的2D，表示參數是紋理。他們能夠初始化爲white、black、gray。你也可使用bump表示使用法線貼圖，這種狀況下，它將自動初始爲顏色#808080，這用來表示沒有任何凸凹。Vector和Color老是有4個元素（分別爲xyzw和rgba）。

下圖展現了一個shader附着到一個材質上以後，在inspector面板中是如何顯示的。

不幸的是，這對咱們使用屬性還不夠。事實上，Properties塊被Unity3D用來從inspector訪問shader隱藏變量。這些變量仍需定義在shader中，它們包含在SubShader塊中。

紋理的類型爲sampler2D。向量是float4、顏色通常是half4，分別使用32和16位表示。用來編寫shader的語言爲Cg/HLSL，很迂腐：參數的名稱必須與先前定義的匹配。然而類型不須要，例如把_MyRange聲明爲half而不是float不會報任何錯誤。一些使人困惑的是，若是你定一個向量類型的屬性，關聯到一個float2變量，額外的2個值將被Unity3D忽略。

渲染順序

正如已提到的，SubShader塊包含實際代碼，使用Cg/HLSL（很是像C）編寫。不嚴格地說，一個shader爲圖像的每一個像素執行，它的性能很是關鍵。因爲GPU的體系結構，一個shader中可以執行的指令數量有限制。能夠經過分割幾個部分執行，但本教程不包含這塊。

一個SubShader一般看起來像這樣：

第8~11行包含實際的Cg代碼，經過CGPROGRAM和ENDCG指令示意。

第3行，在實際代碼以前，介紹tags的概念。tags用來告訴Unity3D咱們寫的shader的某些屬性。例如，shader渲染的順序（Queue）和應該如何渲染（RenderType）。

當渲染三角形時，GPU一般根據它們離攝像機的距離，遠的先繪製。這在渲染不透明的幾何形狀時夠用了，可是透明物體將失敗。這也是爲何Unity3D運行指定Queue標籤，能夠控制每一個材質的渲染順序。Queue接受正整數（越小越先繪製），預約義（mnemonic）的標籤也可使用：

l  Background（1000）：用於背景和天空盒

l  Geometry（2000）：默認標籤，用於大部分不透明物體

l  Transparent（3000）：用於包含透明屬性的材質，例如玻璃、火、粒子、水

l  Overlay（4000）：用於鏡頭耀斑，GUI元素和文本

Unity3D還容許指定相關順序，例如Background+2，表示1002隊列值。搞亂了Queue值會致使惡劣的狀況，一個對象老是被繪製，即便它應該被其餘模型遮擋住了。

Ztest

記住，一個包含透明屬性（Transparent）的對象並不老是顯示在不透明（Geometry）對象上面。默認狀況下，GPU執行ZTest避免隱藏的對象被繪製。原理是，它使用了一個額外的緩衝區，其大小與屏幕渲染的相同。每一個像素包含繪製對象在該像素的深度（離相機的距離）。若是咱們要繪製一個像素比當前深度更大，像素就被丟棄。ZTest剪裁被其它對象遮擋住的像素，不管他們繪製到屏幕上的順序。

表面 VS 頂點和片斷

shader代碼的最後一部分。在渲染以前，須要決定使用那種類型的shader。本節將給出shader效果驚鴻一瞥的樣子，但不會深刻解釋。表面、頂點和片斷shader將在本教材的下一部分覆蓋。

表面shader

當材質須要根據光照模擬實際效果時，那麼你就須要一個表面shader。表面shader在函數surf中隱藏光線如何被反射的計算，並容許指定「直觀」的屬性，如反照率、法線、反射率等。而後將這些值插入到光照模型，將輸出每一個像素的最終RGB值。或者，當須要很是高級的效果是，你也能夠編寫本身的光照模型。

一個典型的表面shader的Cg代碼以下所示：

第5行指定輸入的紋理，而後在第12行將指定Albedo屬性。第3行指定使用Lambertian光照模型，這個是很是典型光照如何影響對象的模型。shader僅使用反照率屬性一般稱爲漫反射（diffuse）。

頂點和片斷shader

頂點和片斷shader的工做貼近GPU渲染三角形的方式，並無光照如何表現的概念。模型的幾何形狀首先經過一個調用函數vert，改變他的頂點。而後各個三角形經過另外一個調用函數frag，這決定了最終每一個像素的RGB顏色。這對2D效果很是有用，後期處理和特殊的3D效果很是付出須要使用表面shader。

下面的頂點和片斷shader簡單只是使用紅色，沒有光照：

第15~17行，將原始的3D空間頂點轉換到最終的2D屏幕位置。Unity3D使用UNITY_MATRIX_MVP實現，隱藏了底層的實現數學運算。在此以後，第22行，給定每一個像素爲紅色。只須要記住，頂點和片斷shader的Cg部分須要封裝到Pass塊中。它跟簡單的表面shader不同。

結論

本篇文章逐漸引入了兩種類型的Unity3D shader，並說明什麼時候須要使用。接下來四篇文章，將介紹實現它們的細節。還有一個附加篇，將介紹屏幕shader，用於2D圖像的後期處理。

• Part 1: Unity3D shader簡介(A gentle introduction to shaders in Unity3D)
• Part 2: Unity3D表面shader(Surface shaders in Unity3D)
• Part 3: Unity3D基於物理渲染和光照模型( Physically Based Rendering and lighting models in Unity3D)
• Part 4: Unity3D頂點和片斷shader(Vertex and fragment shader in Unity3D)
• Part 5: Unity3D傳遞數組給shader(Passing arrays to a shader: heatmaps in Unity3D)
• Part 6: Unity3D屏幕shader和效果後期處理(Screen shaders and postprocessing effects in Unity3D)