【UnityShader_Ojors的脚印】 UnityShader基本语法

在学习 Unity Shader 前，最好是对 CG Shader 有一定的了解，起码要知道 Shader 数据类型，语义这些最基本的东西。（推荐啃 Nvidia 的《The Cg Tutorial》，当然可以找中文版的来看，叫《可编程实时图形权威指南》，这本书现在已经基本买不到正版，看 PDF 版的吧）

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在 Unity 中，Shader 的使用要基于物体和材质，我们可以通过新建一个材质，然后指定对应的 Shader 文件，最后把材质赋予物体进行渲染。

我们先看一个比较简单的 Unity Shader：

Shader "Ojors/Simple Shader" 
{
    Properties  
    { 
         _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} 
    } 

    SubShader 
    {
        Pass 
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"

            sampler2D _MainTex;

            struct VertexOut
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                fixed3 color : COLOR0;
                float2 uv_MainTex : TEXCOORD0;
            };

            VertexOut vert(appdata_base i) 
            {
                VertexOut o;
                o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex);
                o.color = i.normal * 0.5 + float3(0.5, 0.5, 0.5);
                o.uv_MainTex = i.texcoord.xy;
                return o;
            }

            float4 frag(VertexOut i) : SV_Target
            {
                return float4(i.color, 1.0) + tex2D(_MainTex, i.uv_MainTex);
            }

            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

下面开始分析这串代码：

• 首先是第一行代码：

Shader "Ojors/SimpleShader" 

这句代码表示我们的 Shader 目录，定义之后，我们可以在 Shader 列表中根据该目录找到我们的 Shader 文件。

对材质指定自定义的 Shader 文件

• Properties 部分

    Properties  
    { 
         _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} 
    } 

在这里我们可以定义一些可以调节的参数，通过在 Unity Inspector 面板对属性进行调节，在 Scene 面板中实时观察效果。

• 上述代码中：
  _MainTex 表示在 Shader 代码中定义的属性名
  "Base (RGB)" 表示在 Inspector 面板中显示的名称
  2D 表示该属性的类型，在此处为 ShaderLab 2D 贴图
  "white" {} 表示该属性的默认值

• 为了可以在我们的代码中使用该属性，我们还需要在我们的CG代码中定义该变量，该变量的类型和命名必须与属性定义一致。
  sampler2D _MainTex;
  有的Shader代码中会定义成：uniform sampler2D _MainTex;
  在Unity Shader中，这两种写法效果一样，uniform 关键字是可以省略的

属性与变量类型关系如下：

属性类型	CG变量类型	定义方式
Int	int	_IntType ("Count", Int) = 1
Float	float，half，fixed	_FloatType("Rate", Float) = 1.5
Vector	float4，half4，fixed4	_VectorType ("Vector", Vector) = (1,2,3,4)
Range	float，half，fixed	_RangeType ("Range", (0.1, 0.5)) = 0.2
Color	float4，half4，fixed4	_ColorType ("Color", Color) = (1,1,1,1)
2D	sampler2D	_2DType ("2DTex", 2D) = ""{}
Cube	samplerCube	_CubeType ("CubeTex", Cube) = "white"{}
3D	sampler3D	_3DType ("3DTex", 3D) = "black"{}

其中贴图属性的字符串要么为空（""），要么为内置的纹理名称（"white", "black", "gray", "bump"）

调节参数

• SubShader 块
  在一个 Shader 中，可能会包含一个或多个 SubShader。Unity在加载 Shader 时，会对文件里的 SubShader 进行顺序扫描，然后选择第一个能在当前平台下运行的 SubShader，如果都不行，就会执行 Fallback 所指定的 Shader

• Pass 块
  在一个 SubShader 中会有一个或多个 Pass。不同于 SubShader 在执行某个 SubShader 时，Unity 会把里面定义的 Pass 都执行一次。而多个 Pass 可以提高代码的复用率和实现一些复杂的效果.

UsePass "MyShader/PassName"

上面的使用方式可以对已经写好的 Pass 进行复用。

• 主体 Shader 代码部分

CGPROGRAM
...
ENDCG

在 CGPROGRAM-ENDCG 关键字中的代码就是我们用CG语言所写的 Shader 代码。
当然也可以 OpenGL 的 Shader 代码，那就要包含在 GLSLPROGRAM-ENDGLSL 关键字中。

#pragma vertex vert 
#pragma fragment frag

这里定义了顶点着色器和片段着色器的函数声明，Unity 可以在这里知道哪里是顶点着色器的入口，哪里是片段着色器的入口。我们需要做的是在这两个函数里编写我们的代码。（这系列会以顶点着色器和片段着色器为主，而 Unity 新的表面着色器先不探讨）

#include "UnityCG.cginc"

这句代码表示包含 Unity 自带的 UnityCG.cginc 头文件，这里包含了 Unity 为我们提供的很多很使用的变量和常量，在现在的 Unity 版本（4.0以上）中会自动包含进来，但是为了兼容性还是加上为好。

 sampler2D _MainTex;

这里为定义属性上对应的变量，也就是上面说过的 Properties 部分

struct VertexOut 
{ 
    float4 pos : SV_POSITION; 
    fixed3 color : COLOR0; 
    float2 uv_MainTex : TEXCOORD0; 
};

这里定义了一个顶点着色器数据输出到片段着色器用的结构体，变量后的为语义
例如：float4 pos : SV_POSITION;
这里定义了一个 float4 类型的位置变量，语义为 SV_POSITION，表示这是一个坐标点（很多其他 Shader 代码中会使用 POSITION 语义，SV_ 前缀与没有前缀其实没有多大区别，但是为了平台兼容性我们还是使用 SV_ 前缀，例如 PS4 平台使用的就是带前缀的语义）
而下面的 COLOR0 和 TEXCOORD0 则表示是颜色和贴图，后面的数字0，1，2等等之类的表示这是第一组颜色（贴图），第二组颜色（贴图），具体的数字可以到多少要看显卡性能。

VertexOut vert(appdata_base i) 
{ 
    VertexOut o; 
    o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex); 
    o.color = i.normal * 0.5 + float3(0.5, 0.5, 0.5); 
    o.uv_MainTex = i.texcoord.xy; 
    return o; 
}

这个代码块为顶点着色器的代码块。返回类型为我们之前所定义的 VertexOut 结构体，参数类型为 UnityCG.cginc 自带的数据结构体，里面包含了很多数据相关的数值，例如：顶点、法线、贴图等，具体内容可以参照 Unity\Editor\Data\CGIncludes 目录下的 UnityCG.cginc 文件。
下面给出这三个常用的数据结构体：

struct appdata_base {
    float4 vertex : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
    float4 texcoord : TEXCOORD0;
};
struct appdata_tan {
    float4 vertex : POSITION;
    float4 tangent : TANGENT;
    float3 normal : NORMAL;
    float4 texcoord : TEXCOORD0;
};
struct appdata_full {
    float4 vertex : POSITION;
    float4 tangent : TANGENT;
    float3 normal : NORMAL;
    float4 texcoord : TEXCOORD0;
    float4 texcoord1 : TEXCOORD1;
    float4 texcoord2 : TEXCOORD2;
    float4 texcoord3 : TEXCOORD3;
#if defined(SHADER_API_XBOX360)
    half4 texcoord4 : TEXCOORD4;
    half4 texcoord5 : TEXCOORD5;
#endif
    fixed4 color : COLOR;
};

然后是下面的代码：

VertexOut o; 
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex); 
o.color = i.normal * 0.5 + float3(0.5, 0.5, 0.5); 
o.uv_MainTex = i.texcoord.xy; 
return o;

o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex)：进行从模型空间到裁剪空间的矩阵变换，这个在前面的篇幅中已经说明过，这里不再赘述。
o.color = i.normal * 0.5 + float3(0.5, 0.5, 0.5) ：这里是对顶点的颜色进行计算。
o.uv_MainTex = i.texcoord.xy：这里是对输入的贴图的 UV 信息对输出结构体进行赋值

float4 frag(VertexOut i) : SV_Target 
{ 
    return float4(i.color, 1.0) + tex2D(_MainTex, i.uv_MainTex); 
}

这个代码块为片段着色器的代码块。其中输入的参数为从顶点着色器中返回的数据结构体。函数后面的 SV_Target 语义意思为输出的是颜色数据（一些 Shader 中会把语义写成 COLOR，跟上面说的一样，SV_Target 跟 COLOR 没有多大区别，基于平台兼容性我们还是选择 SV_Target 语义）
而返回的数据 float4(i.color, 1.0) + tex2D(_MainTex, i.uv_MainTex) 为对上面返回的颜色和贴图进行混合，生成最终的效果（tex2D 函数为取样函数，能从贴图中按照 UV 坐标获取到对应点的颜色，在低版本的显示驱动中不允许在顶点着色器中进行取样，若真要使用要使用 tex2Dlod 函数，并添加 #pragma target 3.0，因为 tex2Dlod 是 Shader Model 3.0 中的特性）

好了，到此为止，我们的第一个 Shader 文件已经解释完毕，下面上一下 Shader 效果图：

Shader效果

下面给出在书上看到的我觉得比较重要的优化点：
不鼓励在 Shader 中使用流程控制语句（if-else，for，while等），因为会降低 GPU 的并行处理效率。

几条建议：

• 把片段着色器上的计算放到顶点着色器中，或者在 CPU 中进行预计算
• 分支判断语句的条件最好是常量
• 每个分支中的操作尽可能少
• 分支嵌套尽可能少