顶点/片元着色器的基本架构

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顶点/片元着色器的基本架构

顶点/片元着色器不能说是Unity Shader族群中最闪耀的那一个，但却是最为强大的一个。在Unity中，顶点/片元着色器的英文名称是Unlit Shader（以下简称为US），尽管拥有着较为复杂原始的代码，但是US的功能可谓是王者级别的存在。除了US之外，在剩余三种着色器中，最常用的当属标准表面着色器Standard Surface Shader（以下简称SSS）了，而SSS可以实现的，US也全部都能实现。
US与GPU管线的关系相较于SSS看起来更为紧密。在GPU管线中，顶点着色器和片元着色器分属于几何阶段与光栅化阶段；而在US中，顶点着色器由顶点函数实现，片元着色器由片元函数实现。因此，虽然SSS广为人知，但想要真正一窥Unity实时渲染的奥妙与精髓，则需要掌握US的使用说明。
一、 US基本架构:

Shader "ShaderName"{
	Properties{
	//各种面板属性
	}
	SubShader{
	//显卡A的Subshader
	//标签设置
	Pass{
	//标签设置
	CGPRAGMA
	#......
	#......//各种预编译指令
	
	...
	...
	
	ENDCG
	}
	//一个Pass为一个渲染模块
	//其他pass
	}
	
	SubShader{}//其他显卡的
	//回调方法
	Fallback "VertexLit"
}

二、 代码详解

1. Shader “ShaderName” 是整个shader文件的开头，告诉Unity本shader的名字和相对位置，如
   Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader"
   我们可以在如下位置找到这个shader
   
2. properties属性并不是Unity Shader中一个必要的组件，但却能帮助开发者灵活地调整shader属性。任何写在Properties中的属性都会开放在Unity可视化的组件面板“Inspector”中，供开发者随时调整。
   如：

   	Properties
   		  {       
   			 _Color("Color Tint",Color) = (1.0,1.0,1.0)    
   		  }
   

则：

3. Subshader中的Tags设置了属于Subshader中所有pass共享的标签属性，具体的标签设置将会在后序介绍。
4. Pass是Shader的灵魂所在，相当于是Shader最小执行单元。
5. 在pass内部也可以设置一系列Tags来控制pass的行为，另外，其他所有代码被包含在CGPROGRAM和ENDCG 之中。

   • #include指令设置了该pass所包含的头文件；而 #pragma定义了一系列预编译指令，其中，最为关键的是：
     #pragma vertex vert_func_name //声明顶点着色器函数
#pragma fragment frag_func_name //声明片元着色器函数

   • 其次，定义用于在顶点着色器和片元着色器之间通信的结构体与变量：

     a2v-----application to vertex
     v2f------vertex to fragment

   • 之后定义之前声明的顶点和片元函数，片元函数输出最终调制好的像素颜色（格式为fixed4）

6. 在 SubShader之后声明备用的着色器，以防先前的subshader不可用。例如：Fallback "Specular"
7. 需要特别注意的是：片元着色器的输入是顶点着色器的输出经过插值之后的结果！

三、 数据类型
ShaderLab与Cg变量类型匹配关系

ShaderLab属性类型	Cg变量类型
Color,Vector	float4,half4,fixed4
Range,Float	float,half,fixed
2D	sampler2D
Cube	samplerCube
3D	sampler3D

• 数据宽度：float>half>fixed

四、 语义
语义用于告知系统所声明的变参数的意义。

• a2v：POSITION、NORMAL、TANGENT、TEXCOORDn、COLOR
• v2f：SV_POSITION、COLOR0、COLOR1、TEXCOORD0~7
• fragment：SV_TARGET

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渲染平台的差异

DirectX	OpenGL
屏幕坐标系原点位于左上角	屏幕坐标系原点位于左下角
不允许缺省参数	一些情况下允许缺省参数
不支持在顶点着色器中使用tex2D	支持在定点着色器中使用tex2D
左手坐标系	右手坐标系
矩阵行优先	矩阵列优先
裁剪空间z坐标[0,1]	裁剪空间z坐标[-1,1]

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示例代码

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" {    
		Properties{        
			_Color("Color Tint",Color) = (1.0,1.0,1.0)
			  }
        	 SubShader{           
        		Pass{                
	        		CGPROGRAM                                
	        		#pragma vertex vert                
	        		#pragma fragment frag
	                	fixed4 _Color;
	                	struct a2v{                    
	                	float4 vertex : POSITION;                    
	                	float3 normal : NORMAL;                    
	                	float4 texcoord : TEXCOORD0;                
	                     };                
	                struct v2f{                
	                	float4 pos : SV_POSITION;                
	                	fixed3 color : COLOR0;                
	                     };                
                	v2f vert(a2v v){                    
		                v2f o;                    
		                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);                    
		                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;                    
	                	return fixed4(c,1.0);                
                	      }                    
                	ENDCG            
                	   }        
                	 }
                	}

效果如下：