Unity学习笔记-Shader第一期

参考文献 https://onevcat.com/2013/07/shader-tutorial-1/

Shader是什么

用Unity做游戏开发的小伙伴对此一定不陌生，Shader也称之为“着色器”，实际上就是一小段程序，它负责将输入的Mesh（网格）以指定的方式和输入的贴图或者颜色等进行组合处理，然后输出，同时绘图单元可以依据输出的内容来将图像绘制到屏幕上。

Shader和Material的关系

我们在Unity中输入的贴图或者颜色等属性，加上对应写好的Shader，经过Shader的处理过后我们得到了我们想要的纹理效果，将这些内容打包存储在一起，得到的就是一个Material（材质）。之后，我们便可以将材质赋予合适的renderer（渲染器）来进行渲染（绘制）了。

Shader的主要类型

类型	说明
Surface	通俗来讲Surface Shader(表面着色器)已替我们完成大部分的工作，只需要简单的技巧即可实现很多不错的效果。
Fragment	FragmentShader(片段着色器)可以在比较低的层级上进行更复杂更有针对性地开发，因此可以做更多的事情，但比较难写。

Shader的结构

这里直接先给出一段Unity预制的Standard Surface Shader，下面会针对每一个层级进行解释

Shader "Custom/Diffuse Texture" {
	Properties {
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
	}
	SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 200
		
		CGPROGRAM
		#pragma surface surf Lambert

		sampler2D _MainTex;

		struct Input {
			float2 uv_MainTex;
		};

		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
			o.Albedo = c.rgb;
			o.Alpha = c.a;
		}
		ENDCG
	} 
	FallBack "Diffuse"
}

从上面的代码中不难看出Shader的结构主要由【Shader】【Properties】【SubShader】【FallBack】构成，值得一提的是，一个【Shader】下可以包含多个【SubShader】，原因后面会讲。

Shader

Shader "Custom/Diffuse Texture" {...}
//此处声明了一个叫做"Diffuse Texture"的Shader，同时将其放置在自定义的Custom父级菜单下。

需要注意的是"Custom/Diffuse Texture"并非指代项目Assets下的目录层级，而是Unity根据你此处自定义的层级自动生成的Shader选项菜单，在Unity中你看到的是这样的

Properties

Properties {
	//此处存放声明的属性
}

Properties是存放所有声明属性的容器，属性的声明有格式上的要求，如下:

_属性名称 ("Unity中可见名称" , 属性类型名称) = 属性初始默认值

就拿例子中的shader来说

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

MainTex = 属性名称 （注意名称前的"_"不可缺失）
Base (RGB) = Unity中可见名称
2D = 属性类型名称
white = 属性初始默认值 （此处即为空白）

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

紧接着我们来看看几种常见的Type(属性类型)

类型	说明
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	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

SubShader

Shader的作用是将输入的贴图或者颜色等进行组合处理，然后输出得到我们想要的效果，整个处理的逻辑都在SubShader中。在解释SubShader的逻辑含义之前，首先我们要来说说两个在SubShader中常见的属性Tags和LOD：

Tags

之前我们提到一个Shader下可以包含若干个SubShader，那么当我们想让系统在渲染时调用Shader进行处理时，有那么多的SubShader，系统最终会调用哪一个呢？Tags就起到了引导的作用，硬件会判定Tags修饰标签的内容，然后在渲染时调用指定的SubShader进行处理。
我们来看一下例子：

SubShader {
	Tags { "RenderType"="Opaque" }
} 

此处"RenderType"="Opaque"即表示，当进行渲染非透明物体时，调用该SubShader下的逻辑方法。

LOD

LOD是Level Of Detail的缩写，顾名思义，它是一种控制细节级别的技术。LOD的数值越高，画面的渲染质量越高，但是对硬件也有较高的要求。在Unity中，我们可以在Quality面板为项目设置Maximum LOD Level(最大LOD等级)

Maximum LOD Level可以设置7个等级，Maximum LOD Level会与Shader LOD进行大小比较，只有在Maximum LOD Level范围内的Shader才可以被调用，因此使用LOD可以针对不同平台进行渲染质量的调节，Shader LOD具体对照如下

Maximum LOD Level	Shader LOD说明
0	任何LOD值的Shader都可以被调用
1	LOD 100
2	LOD 200
3	LOD 300
4	LOD 400
5	LOD 500
6	LOD 600

回到例子

SubShader {
	LOD 200
} 

此处设置的LOD值为200，参照上述表格，假设当Maximum LOD Level小于等于2时，这个Shader就可以被调用，反之不可。

Shader主体部分

SubShader {
	CGPROGRAM
	#pragma surface surf Lambert

	sampler2D _MainTex;

	struct Input {
		float2 uv_MainTex;
	};

	void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
		half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
		o.Albedo = c.rgb;
		o.Alpha = c.a;
	}
	ENDCG
} 

主体部分由CGPROGRAM开始，于ENDCG结束，这里面包含了整个Shader的核心逻辑，输入端的内容将会在这里进行处理并进行输出，由于主体相对比较复杂先大概扫一眼就好，我会在下一期专门做有关Shader主体部分的笔记。

FallBack

FallBack "Diffuse"

这个很好理解，当上面所有的SubShader都无法运行时，会直接执行FallBack命令，并使用FallBack所指向的Shader，简单来说就是Shader给自己留的一条“后路”。

总结

这一期的笔记主要整理了UnityShader的一些基础知识，笔者是个刚跨入计算机图形学领域的小白，也还在学习相关的知识，开始写博客的目的也是希望能给自己所学的知识做一个巩固，同时也希望各位行业大大们纠正指出我理解有误的地方，从而提升自己的技术水平。那么，下期笔记见！