Shader备忘录
SubShader内部可以有标签（Tags）的定义。Tag指定了这个SubShader的渲染顺序（时机），以及其他的一些设置。
"Queue"标签。定义渲染顺序。预制的值为"Background"。值为1000。比如用于天空盒。"Geometry"。值为2000。大部分物体在这个队列。不透明的物体也在这里。这个队列内部的物体的渲染顺序会有进一步的优化（应该是从近到远，early-z test可以剔除不需经过FS处理的片元）。其他队列的物体都是按空间位置的从远到近进行渲染。"AlphaTest"。值为2450。已进行AlphaTest的物体在这个队列。"Transparent"。值为3000。透明物体。"Overlay"。值为4000。比如镜头光晕。- 用户可以定义任意值，比如
"Queue"="Geometry+10"
"RenderType"标签。Unity可以运行时替换符合特定RenderType的所有Shader。Camera.RenderWithShader或者Camera.SetReplacementShader配合使用。Unity内置的RenderType包括："Opaque"：绝大部分不透明的物体都使用这个；"Transparent"：绝大部分透明的物体、包括粒子特效都使用这个；"Background"：天空盒都使用这个；"Overlay"：GUI、镜头光晕都使用这个；- 还有其他可参考Rendering with Replaced Shaders；用户也可以定义任意自己的RenderType字符串。
"ForceNoShadowCasting"，值为"true"时，表示不接受阴影。"IgnoreProjector"，值为"true"时，表示不接受Projector组件的投影。
和SubShader有自己专属的Tag类似，Pass也有Pass专属的Tag。
其中最重要Tag是 "LightMode"，指定Pass和Unity的哪一种渲染路径（“Rendering Path”）搭配使用。这里需要描述的Tag取值可包括：
Always，永远都渲染，但不处理光照ShadowCaster，用于渲染产生阴影的物体ShadowCollector，用于收集物体阴影到屏幕坐标Buff里。
其他渲染路径相关的Tag详见下面章节“Unity渲染路径种类”。
具体所有Tag取值，可参考ShaderLab syntax: Pass Tags。
Shader中的数据类型
有3种基本数值类型：float、half和fixed。
这3种基本数值类型可以再组成vector和matrix，比如half3是由3个half组成、float4x4是由16个float组成。
float：32位高精度浮点数。half：16位中精度浮点数。范围是[-6万, +6万]，能精确到十进制的小数点后3.3位。fixed：11位低精度浮点数。范围是[-2, 2]，精度是1/256。
数据类型影响性能
- 精度够用就好。
- 颜色和单位向量，使用
fixed - 其他情况，尽量使用
half（即范围在[-6万, +6万]内、精确到小数点后3.3位）；否则才使用float。
- 颜色和单位向量，使用
- 不要将低精度
fixed类型转换为更高的精度，否则会产生性能问题。 - 低精度
fixed不要使用“swizzle”（即形如myFixed4.xyzw、myFixed2.xyxy，中文不知咋译，“搅和
访问”？），否则会产生性能问题。作者donaldwu说：swizzle在编写Shader里是经常用到的，但到底怎样才算swizzle？
myFixed4.x算不算？myFixed4.xyzw算不算？myFixed4.xyxy算不算？还是都算？
这个目前没有找到权威的定义，所以为了不要影响效率，建议fixed尽量不要出现上面任意一种形式。
Shader形态
Shader形态之1：固定管线
固定管线是为了兼容老式显卡。都是顶点光照。之后固定管线可能是被Unity抛弃的功能，所以最好不学它、当它不存在。特征是里面出现了形如下面Material块、没有CGPROGRAM和ENDCG块。
Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
Properties {
_Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color
}
// Fixed Pipeline
SubShader
{
Pass
{
Material{
Diffuse [_Color]
Ambient [_Color]
}
Lighting On
}
}
}
Shader形态之2：可编程Shader
Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
Properties {}
SubShader
{
Pass
{
// ... the usual pass state setup ...
CGPROGRAM
// compilation directives for this snippet, e.g.:
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
// the Cg/HLSL code itself
float4 vert(float4 v:POSITION) : SV_POSITION{
return mul(UNITY_MATRIX_MVP, v);
}
float4 frag() : COLOR{
return fixed4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
ENDCG
// ... the rest of pass setup ...
}
}
}
- 功能最强大、最自由的形态。
- 特征是在Pass里出现
CGPROGRAM和ENDCG块 - 编译指令
#pragma。详见官网Cg snippets。其中重要的包括：
| 编译指令 | 示例/含义 |
|---|---|
#pragma vertex name#pragma fragment name |
替换name，来指定Vertex Shader函数、Fragment Shader函数。 |
#pragma target name |
替换name（为2.0、3.0等）。设置编译目标shader model的版本。 |
#pragma only_renderers name name ...#pragma exclude_renderers name name... |
#pragma only_renderers gles gles3，#pragma exclude_renderers d3d9 d3d11 opengl，只为指定渲染平台（render platform）编译 |
- 引用库。通过形如
#include "UnityCG.cginc"引入指定的库。常用的就是UnityCG.cginc了。其他库详见官网Built-in shader include files。 - ShaderLab内置值。Unity给Shader程序提供了便捷的、常用的值，比如下面例子中的
UNITY_MATRIX_MVP就代表了这个时刻的MVP矩阵。详见官网ShaderLab built-in values。 - Shader输入输出参数语义（Semantics）。在管线流程中每个阶段之间（比如Vertex Shader阶段和FragmentShader阶段之间）的输入输出参数，通过语义字符串，来指定参数的含义。常用的语义包括：
COLOR、SV_Position、TEXCOORD[n]。完整的参数语义可见HLSL Semantic（由于是HLSL的连接，所以可能不完全在Unity里可以使用）。 - 特别地，因为Vertex Shader的的输入往往是管线的最开始，Unity为此内置了常用的数据结构：
| 数据结构 | 含义 |
|---|---|
| appdata_base | vertex shader input with position, normal, one texture coordinate. |
| appdata_tan | vertex shader input with position, normal, tangent, one texture coordinate. |
| appdata_full | vertex shader input with position, normal, tangent, vertex color and two texture coordinates. |
| appdata_img | vertex shader input with position and one texture coordinate. |
Shader形态之3：SurfaceShader
Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
Properties { }
// Surface Shader
SubShader {
Tags { "RenderType" = "Opaque" }
CGPROGRAM
#pragma surface surf Lambert
struct Input {
float4 color : COLOR;
};
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
o.Albedo = 1;
}
ENDCG
}
FallBack "Diffuse"
}
- SurfaceShader可以认为是一个光照Shader的语法糖、一个光照VS/FS的生成器。减少了开发者写重复代码的需要。
- 在手游，由于对性能要求比较高，所以不建议使用SurfaceShader。因为SurfaceShader是一个比较“通用”的功能，而通用往往导致性能不高。
- 特征是在SubShader里出现
CGPROGRAM和ENDCG块。（而不是出现在Pass里。因为SurfaceShader自己会编译成多个Pass。） - 编译指令是：
#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]surfaceFunction：surfaceShader函数，形如void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)lightModel：使用的光照模式。包括Lambert（漫反射）和BlinnPhong（镜面反射）。- 也可以自己定义光照函数。比如编译指令为
#pragma surface surf MyCalc- 在Shader里定义
half4 LightingMyCalc (SurfaceOutput s, 参数略)函数进行处理(函数名在签名加上了“Lighting”）。 - 详见Custom Lighting models in Surface Shaders
- 在Shader里定义
- 也可以自己定义光照函数。比如编译指令为
- 你定义输入数据结构（比如上面的
Input）、编写自己的Surface函数处理输入、最终输出修改过后的SurfaceOutput。SurfaceOutput的定义为
struct SurfaceOutput {
half3 Albedo; // 纹理颜色值（r, g, b)
half3 Normal; // 法向量(x, y, z)
half3 Emission; // 自发光颜色值(r, g, b)
half Specular; // 镜面反射度
half Gloss; // 光泽度
half Alpha; // 不透明度
};
Unity渲染路径（Rendering Path）种类
概述
开发者可以在Unity工程的PlayerSettings设置对渲染路径进行3选1：
- Deferred Lighting，延迟光照路径。3者中最高质量地还原光照阴影。光照性能只与最终像素数目有关，光源数量再多都不会影响性能。
- Forward Rendering，顺序渲染路径。能发挥出Shader全部特性的渲染路径，当然也就支持像素级光照。最常用、功能最自由，性能与光源数目*受光照物体数目有关，具体性能视乎其具体使用到的Shader的复杂度。
- Vertex Lit，顶点光照路径。顶点级光照。性能最高、兼容性最强、支持特性最少、品质最差。
渲染路径的内部阶段和Pass的LightMode标签
每个渲染路径的内部会再分为几个阶段。
然后，Shader里的每个Pass，都可以指定为不同的LightMode。而LightMode实际就是说：“我希望这个Pass在这个XXX渲染路径的这个YYY子阶段被执行”。
Deferred Ligting
| 渲染路径内部子阶段 | 对应的LightMode | 描述 |
|---|---|---|
| Base Pass | "PrepassBase" |
渲染物体信息。即把法向量、高光度到一张ARGB32的物体信息纹理上，把深度信息保存在Z-Buff上。 |
| Lighting Pass | 无对应可编程Pass | 根据Base Pass得出的物体信息，在屏幕坐标系下，使用BlinnPhong光照模式，把光照信息渲染到ARGB32的光照信息纹理上（RGB表示diffuse颜色值、A表示高光度） |
| Final Pass | "PrepassFinal" |
根据光照信息纹理，物体再渲染一次，将光照信息、纹理信息和自发光信息最终混合。LightMap也在这个Pass进行。 |
Forward Rendering
| 渲染路径内部子阶段 | 对应的LightMode | 描述 |
|---|---|---|
| Base Pass | "ForwardBase" |
渲染：最亮一个的方向光光源（像素级）和对应的阴影、所有顶点级光源、LightMap、所有LightProbe的SH光源（Sphere Harmonic，球谐函数，效率超高的低频光）、环境光、自发光。 |
| Additional Passes | "ForwardAdd" |
其他需要像素级渲染的的光源 |
注意到的是，在Forward Rendering中，光源可能是像素级光源、顶点级光源或SH光源。其判断标准是：
- 配制成“Not Important”的光源都是顶点级光源和SH光源
- 最亮的方向光永远都是像素级光源
- 配置成“Important”的都是像素级光源
- 上面2种情况加起来的像素级光源数目小于“Quality Settings”里面的“Pixel Light Count”的话，会把第1种情况的光源补为额外的像素级光源。
另外，配置成“Auto”的光源有更复杂的判断标注，截图如下：
具体可参考Forward Rendering Path Details。
混合操作（Blending）
我们直奔主题吧。混合操作最常见的用途便是用来制作透明物体、或者是进行纹理的混合。它是Shader渲染的最后一步：
如上图所示，正被渲染的像素经过顶点光照、顶点着色器、剔除和深度测试，雾效、Alpha测试等一系列操作之后，最后一步便是混合操作。这个时候计算结果即将被输出到帧缓冲中。而混合操作，就是管理如何将这些像素输出到帧缓存中的这样一个过程——是直接替换原来的，是一加一的混合，还是有Alpha参与的不等比地混合等等。
混合操作有两个对象：源和目标，因此也有两个对应的因子，即源因子和目标因子（对应于下面讲解的Blend SrcFactor DstFactor操作）。
而如果我们把RGB颜色通道和Alpha通道分开来操作的话，混合就有了4个操作对象（对应于下面讲解的Blend SrcFactor DstFactor,SrcFactorA DstFactorA操作）。
混合操作相关的句法
Blend Off
Turn off blending 关闭混合
Blend SrcFactorDstFactor
基本的配置并启动混操作。对产生的颜色乘以SrcFactor.对 已存在于屏幕的颜色乘以DstFactor，并且两者将被叠加在一起。
Blend SrcFactorDstFactor, SrcFactorA DstFactorA
同上，但是使用不同的要素来混合alpha通道，也就是有了4个操作对象
BlendOp Add / Min | Max | Sub | RevSub
此操作不是Blend操作一样添加混合颜色在一起，而是对它们做不同的操作。
而如下便是常用混合操作符（blend operations）的含义列举：
| Add |
将源像素和目标像素相加. |
| Sub |
用源像素减去目标像素 |
| RevSub |
用目标像素减去源像素 |
| Min |
取目标像素和源像素颜色的较小者作为结果 |
| Max |
取目标像素和源像素颜色的较大者作为结果 |
混合因子（Blend factors）列举
以下所有的属性都可作为SrcFactor或DstFactor。其中，Source指的是被计算过的颜色，Destination是已经在屏幕上的颜色。
| One | 值为1，使用此因子来让帧缓冲区源颜色或是目标颜色完全的通过。 |
| Zero | 值为0，使用此因子来删除帧缓冲区源颜色或目标颜色的值。 |
| SrcColor | 使用此因子为将当前值乘以帧缓冲区源颜色的值 |
| SrcAlpha | 使用此因子为将当前值乘以帧缓冲区源颜色Alpha的值。 |
| DstColor | 使用此因子为将当前值乘以帧缓冲区源颜色的值。 |
| DstAlpha | 使用此因子为将当前值乘以帧缓冲区源颜色Alpha分量的值。 |
| OneMinusSrcColor | 使用此因子为将当前值乘以(1 -帧缓冲区源颜色值) |
| OneMinusSrcAlpha | 使用此因子为将当前值乘以(1 -帧缓冲区源颜色Alpha分量的值) |
| OneMinusDstColor | 使用此因子为将当前值乘以(1 –目标颜色值) |
| OneMinusDstAlpha | 使用此因子为将当前值乘以(1 –目标Alpha分量的值) |
常见的混合操作句法示例
上面都是一些句法和列表的列举，往往会令人一头雾水，下面这是一些示例，用其中的任何一句加在Pass中就可以实现对应的混合操作了：
Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // Alpha混合
Blend One One // 相加
Blend One OneMinusDstColor // 比较柔和的相加（SoftAdditive）
Blend DstColor Zero // 乘法
Blend DstColor SrcColor // 2倍乘法