【Unity Shader】一个简单的顶点/片元着色器
主要参考《Unity Shader入门精要》一书，外加自己的一些总结
前言
顶点/片元着色器的基本结构
Shader "MyShaderName"
{
Properties{
//属性
}
SubShader{
//针对显卡A的SubShader
Pass{
//设置渲染状态和标签
//开始CG代码片段
CGPROGRAM
//vert、frag是函数名称，告诉Unity，那个函数包含了顶点着色器的代码，
//哪个函数包含了片元着色器的代码
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
//CG代码写在这里
ENDCG
}
//其他需要的Pass
}
SubShader{
//针对显卡B的SubShader
}
//上述SubShader都失败后用于回调的Unity Shader
Fallback "VertexLit"
}
1，新建一个场景，命名为Scene_1，如下图所示：
可以看到，场景里包含了一个摄像机和一个平行光。场景的背景是一个天空盒子（Skybox）。这是因为Unity5.x版本中，默认的天空盒子不为空，而是Unity内置的一个天空盒子。为了得到更加原始的效果，我们去掉这个天空盒子。做法：Unity菜单中，Windows->Lighting->Settings,Skybox Material材质选为None。
2，新建一个Unity Shader；
3，新建一个材质，并将上一步的Unity Shader赋给这个材质；
4，场景里新建一个球体，把上一步的材质赋给这个球体。
打开第2步创建的Unity Shader，编写下面的代码：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader"
{
SubShader{
//针对显卡A的SubShader
Pass{
//开始CG代码片段
CGPROGRAM
//vert、frag是函数名称，告诉Unity，那个函数包含了顶点着色器的代码，
//哪个函数包含了片元着色器的代码
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
//CG代码写在这里
float4 vert(float4 v : POSITION) : SV_POSITION{
return UnityObjectToClipPos(v);
}
fixed4 frag() : SV_Target{
return fixed4(1.0,1.0,1.0,1.0);
}
ENDCG
}
}
//上述SubShader都失败后用于回调的Unity Shader
Fallback "VertexLit"
}
这是我们编写的第一个真正意义上的顶点/片元着色器，下面详细解释一下：
细心地人会发现，上面的代码并没有用到Properties语义块，没错，Properties语义并不是必需的，可以选择不声明任何材质属性。
接下来具体看一下vert函数的定义：
float4 vert(float4 v : POSITION) : SV_POSITION{
return UnityObjectToClipPos(v);
} fixed4 frag() : SV_Target{
return fixed4(1.0,1.0,1.0,1.0);
}在上面的例子中，在顶点着色器中使用POSITION语义得到了模型的顶点位置。那么，如果我们想要得到更多的模型数据该怎么办呢？
解决办法就是，我们为顶点着色器定义一个新的输入参数，这个参数不再是一个简单的数据类型，而是一个结构体。修改后的代码如下：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader"
{
SubShader{
//针对显卡A的SubShader
Pass{
//开始CG代码片段
CGPROGRAM
//vert、frag是函数名称，告诉Unity，那个函数包含了顶点着色器的代码，
//哪个函数包含了片元着色器的代码
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
struct a2v {
//POSITION 语义告诉Unity，用模型空间的顶点坐标填充vertex变量
float4 vertex : POSITION;
//NORMAL 语义告诉Unity，用模型空间的发现方向填充normal变量
float3 normal : NORMAL;
//TEXCOORD0 语义告诉Unity，用模型的第一套纹理坐标填充texcoord变量
float4 texcoord : TEXCOORD0;
};
//CG代码写在这里
float4 vert(a2v v) : SV_POSITION{
return UnityObjectToClipPos(v.vertex);
}
fixed4 frag() : SV_Target{
return fixed4(1.0,1.0,1.0,1.0);
}
ENDCG
}
}
//上述SubShader都失败后用于回调的Unity Shader
Fallback "VertexLit"
}我们自定义的结构体的格式如下：（语义是不可省略的）
struct StructName {
Type Name : Semantic;
Type Name : Semantic;
Type Name : Semantic;
......
};a表示应用（application），v表示顶点着色器（vertex shader），a2v意思就是把数据从应用阶段传递到顶点着色器中。
那么填充到POSITON等语义中的这些数据究竟从哪里来的呢？
在Unity中，它们是由使用该材质的Mesh Render组件提供的。在每帧调用Draw Call时，Mesh Render组件会把它负责渲染的模型数据发送给Unity Shader。我们知道，一个模型通常包含一组三角面片，每个三角面片由3的顶点构成，而每个顶点又包含了一些数据，如顶点位置、法线、切线、纹理坐标、顶点颜色等。通过上面的方法，我们就可以在顶点着色器中访问顶点的这些模型数据。
顶点着色器和片元着色器如何通信
在实践中，我们往往希望从顶点着色器输出的一些数据（模型的法线、纹理坐标等）传递给片元着色器，这就涉及到顶点着色器和片元着色器之间的通信。因此，我们需要再定义一个新的结构体，来储存顶点着色器的输出数据，并作为片元着色器的输入参数。修改后的代码如下：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader"
{
SubShader{
//针对显卡A的SubShader
Pass{
//开始CG代码片段
CGPROGRAM
//vert、frag是函数名称，告诉Unity，那个函数包含了顶点着色器的代码，
//哪个函数包含了片元着色器的代码
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
struct a2v {
//POSITION 语义告诉Unity，用模型空间的顶点坐标填充vertex变量
float4 vertex : POSITION;
//NORMAL 语义告诉Unity，用模型空间的发现方向填充normal变量
float3 normal : NORMAL;
//TEXCOORD0 语义告诉Unity，用模型的第一套纹理坐标填充texcoord变量
float4 texcoord : TEXCOORD0;
};
//使用一个结构体来定义顶点着色器的输出
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR0;
};
//CG代码写在这里
v2f vert(a2v v) {
//声明输出结构
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//v.normal 包含了顶点的法线方向，其分量范围在[-1.0,1.0]
//下面的代码把分量范围映射到了[0.0,1.0]
//并存储到o.color中传递给片元着色器
o.color = v.normal * 0.5 + fixed3(0.5,0.5,0.5);
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{
//将插值后的i.color 显示在屏幕上
return fixed4(i.color,1.0);
}
ENDCG
}
}
//上述SubShader都失败后用于回调的Unity Shader
Fallback "VertexLit"
}至此，我们完成了顶点着色器和片元着色器之间的通信。需要注意的是，顶点着色器是逐顶点调用的，而片元着色器是逐片元调用的。片元着色器中的输入实际是把顶点着色器的输出进行插值后得到的结果。
如何使用属性
材质提供给我们一个可以方便调节Unity Shader中参数的方式，而这些参数就需要写在Properties语义块中。
现在，我们有了一个新的需求，我们想要在材质面板上显示一个颜色拾取器，来直接控制模型在屏幕上显示的颜色，修改后的代码如下：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader"
{
Properties{
_Color("Color Tint",Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0)
}
SubShader{
//针对显卡A的SubShader
Pass{
//开始CG代码片段
CGPROGRAM
//vert、frag是函数名称，告诉Unity，那个函数包含了顶点着色器的代码，
//哪个函数包含了片元着色器的代码
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
//在CG代码中，定义一个与属性名称和类型都匹配的变量
fixed4 _Color;
struct a2v {
//POSITION 语义告诉Unity，用模型空间的顶点坐标填充vertex变量
float4 vertex : POSITION;
//NORMAL 语义告诉Unity，用模型空间的发现方向填充normal变量
float3 normal : NORMAL;
//TEXCOORD0 语义告诉Unity，用模型的第一套纹理坐标填充texcoord变量
float4 texcoord : TEXCOORD0;
};
//使用一个结构体来定义顶点着色器的输出
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR0;
};
//CG代码写在这里
v2f vert(a2v v) {
//声明输出结构
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//v.normal 包含了顶点的法线方向，其分量范围在[-1.0,1.0]
//下面的代码把分量范围映射到了[0.0,1.0]
//并存储到o.color中传递给片元着色器
o.color = v.normal * 0.5 + fixed3(0.5,0.5,0.5);
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{
fixed3 c = i.color;
c *= _Color.rgb;
//将插值后的i.color 显示在屏幕上
return fixed4(c,1.0);
}
ENDCG
}
}
//上述SubShader都失败后用于回调的Unity Shader
Fallback "VertexLit"
} ShaderLab中属性的类型和CG变量类型的匹配关系如下表：