【技术美术实践部分】初识Unity Shader：基础总结！

写在前面

这篇博客是对《Unity Shader 入门精要》第3章-Unity Shader基础的学习记录和总结。从这篇开始我就再也不是“纸上谈兵”得学习理论知识啦！

激动的心颤抖的手！

如何在Unity里创建Shader？创建材质？怎么把一个shader赋给材质？shader怎么赋给场景中的游戏对象?...如果你这些问题都有疑问——还不快去学！这篇博客不会讲这些基础的东西了，只会记录我想要写下来保存的内容（见谅~

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1 如何设置用Sublime打开Shader

之前在学习Unity的时候需要写C#脚本，当时用的是Visual Studio 2022写的，external tool设定的就是VS2022，结果打开Shader发现，即使添加了ShaderlabVS插件，在VS里写Shader竟然无法自动缩进！每次都要一个tab一个tab的手打（心累），于是转战之前Houdini用的sublime。

于是，我参考下面这篇教程，想要完成同时达到：用VS打开C#，用sublime打开Shader，这一效果的配置

用SublimeText当Unity Shader的编辑器 - meteoric_cry - 博客园 (cnblogs.com)

结果我只完成了在sublime里添加Unity Shader包的操作，怎么都实现不了Unity双击.shader文件自动跳到sublime打开的效果，索性直接用了最粗暴的办法：

直接修改系统打开目标文件的默认程序，.shader文件选择“始终以sublime打开”，.cs文件选择“始终以VS 2022打开”。

这种粗暴的办法用起来也没啥不妥，但是其实用sublime写Shader也有不爽的地方——不能自动美化格式，但他可以自动缩进呀！相比VS已经够香的了~

2 我使用的Unity版本和环境

Unity我用的是Unity2021.3.8f1，但《入门精要》书是2016出版用的是Unity5.2.1，上Unity官网看的话，Unity版本3.x --> 4.x --> 5.x --> 2017.x --> ... --> 2022.x，时间线是依次推进的。

系统的话我是用的Win10，Windows是基于DirectX的。

不同Unity版本内置函数的使用

既然提到了Unity版本，这里就先打个预防针，要留意一些Unity不同版本之间内置函数使用的差异性，比如我在学习后面的内容时遇到了：

o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);

// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'
//把MVP矩阵替换成了后面版本出现的内置函数

o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

shader中的UnityObjectToClipPos和UNITY_MATRIX_MVP

上文中清楚的提到了Unity5.6版本之后，Shader中的：

• UNITY_MATRIX_MVP会被UnityObjectToClipPos替代
• UNITY_MATRIX_VP会被UnityWorldToClipPos替代
• UNITY_MATRIX_P会被UnityViewToClipPos替代

不过，我发现Unity还是很智能的，它会帮你转换写的低版本函数。

3 Unity Shader与Shaderlab

Unity提供了Unity Shader让我们能更加轻松地管理着色器代码以及渲染设置，由于渲染设置包含了很多相对复杂的内容，例如逐片元操作（也叫合并）中——做的很多测试工作（深度测试、模板测试）、开启/关闭混合功能等等，我们不需要复杂和冗长的代码去管理，使得上手就轻松了很多。

总之，Unity Shader意义虽然挺抽象，但它本质上就是一个文本文件，有了它，我们学习和编写着色器的过程变得更加简单。

行，那我们怎么才能去使用这个Unity Shader来实现控制呢？——Unity提供了ShaderLab这样一种说明语言，所有的Unity Shader都由它来编写。既然是说明语言，那一定有某些表说明的“标签”，在ShaderLab中这样的“标签”就是一些嵌套在花括号内部的语义（Properties、SubShader等等），这些语义定义了Unity Shader的结构。啊，还有一点，如果你学习过DirectX，一定知道它用FX效果文件（.fx）来管理渲染方式，它也包含了渲染状态的设置和HLSL代码，可以把ShaderLab和FX效果文件类比着记忆。

4  ShaderLab的语义

ShaderLab的语义定义了整个Unity Shader的结构，语义的话有Properties、SubShader、Fallback语义块，它们三个是最最常用的语义，接下来我将参考《入门精要》中3.3章对语义部分的介绍进行叙述。

4.1 Properties语义块

为什么会说Properties语义块是材质和Unity Shader的桥梁？因为它定义的内容就是一些材质属性（property），这些属性会在Unity的Inspector面板中展现出来，把材质属性在Inspector面板暴露出来，我们调整起来更加方便！

须知：即使我们不在Properties语义块中定义某些属性，只要在后续的代码段中定义变量，也能使用这些属性变量，因此Properties语义块的作用仅仅是为了让属性可视化在Inspector面板中。

一个Properties语义块格式通常如下：

Properties {
    Name ("display name", propertyType) = DefaultValue
    Name ("display name", propertyType) = DefaultValue
    ...
}

其中，

Name——名字，这是我们在Shader中访问它用到的属性名字，通常以一个下划线“_”开头

display name——显示名字，这是显示在Inspector面板中的名字

propertyType——属性类型，这是我们需要指定的类型，下面会举出常见的属性

DefaultValue——默认值，我们需要给每个属性指定默认值

4.1.1 常见的属性类型

Properties语义块支持的属性类型

属性类型	默认值的定义语法
Int	number
Float	number
Range(min, max)	number
Color	(num, num, num, num)
Vector	(num, num, num, num)
2D	"defaulttexture" {}
Cube	"defaulttexture" {}
3D	"defaulttexture" {}

其中， 2D、Cube、3D的""内要么是空的，要么是Unity内置的纹理名称（black、white、bump等），至于它们是什么？在之前的HLSL常用函数介绍中，纹理映射函数就已经说过了纹理有1D（几乎不用了）、2D、Cube和3D。如果要指定纹理属性，需要在顶点着色器中编写计算相应纹理坐标的代码。

4.1.2 演示

Shader "Unlit/3.1"
{
    Properties
    {
        //数字和slider
        _Int("Int",Int) = 2
        _Float("Float",float)=1.5
        _Range("Range",Range(0.0,5.0))=3.0
        //颜色值和向量
        _color("Color",Color)=(1,1,1,1)
        _vector("Vector",Vector)=(2,3,6,1)
        //纹理信息
        _2D ("2D", 2D) = "" {}
        _Cube ("Cube", Cube) = "white" {}
        _3D ("3D", 3D) = "black" {}
    }

    FallBack  "Diffuse"
}

4.2 SubShader语义块

每个Unity Shader都会至少有一个SubShader语义块。由于不同显卡有不同的渲染能力（很好理解，高级的显卡有更多更复杂的计算能力，而低端一点仅支持部分指令），Unity加载当前Unity Shader时会扫描所有的SubShader语义块，选择一个适合当前平台运行的SubShader语义块。如果都不支持，那么就会使用Fallback语义（后续会提到）指定的Unity Shader。

一个SubShader语义块的格式通常如下：

SubShader {
    //可选的
    [Tag]

    //可选的
    [RenderSetup]

    Pass {
        ...
    }
    //other passes
}

4.2.1 渲染状态设置

还记得第3节介绍Unity Shader的时候，介绍了它可以让我们更方便地处理渲染设置吗？这就是在SubShader中实现的。ShaderLab提供了一系列渲染状态的设置指令，可以设置显卡的各种状态，是否开启混合模式、是否开启深度测等等，把冗长的代码凝炼成了RenderSetup的指令！

题外话：这里也正好验证了介绍GPU管线概述提到的——逐片元操作我们可进行配置但不是可编程的，这一特性。

还须注意，

• 渲染状态和标签都是可选的，即，非必须项
• SubShader中直接设置的渲染状态会应用于所有的Pass
• Pass语义块也是可以定义标签[Tag]和渲染状态[RenderSetup]的，但和SubShader中定义的不太一样（后续会讲到）

ShaderLab常见的渲染状态设置选项

状态名称	设置指令	解释
Cull	Cull Back | Front | Off	剔除模式设置：剔除背面/正面/关闭
ZTest	ZTest Less Great | LEqual | GEqual | Equal | NotEqual | Always	设置深度测试使用的函数
ZWrite	ZWrite On | Off	开启/关闭深度写入
Blend	Blend SrcFactor DstFactor	开启并设置混合模式

4.2.2 SubShader的标签

Tags是一个键值对（Key/Value Pair），键和值都是字符串类型。目的是告诉Unity引擎，当前的SubShader希望如何以及何时渲染当前对象。

还须注意，SubShader的标签类型和接下来讲的Pass语义块的标签类型不一样，不能互通用~

SubShader的标签格式通常如下：

Tags {"TagNamel" = "Value1" "TagName2" = "Value2"}

SubShader的标签类型

标签类型	说明
Queue	控制渲染顺序，指定渲染队列，保证所有透明物体可以在所有不透明物体后面被渲染，还可以自定义渲染队列	Tags {"Queue" = "Transparent"}
RenderType	对着色器进行分类，例如定义当前着色器是透明or不透明	Tags {"RenderType" = "Opaque"}
DisableBatching	直接指明当前是否对该SubShader进行批处理	Tags {"DisableBatching" = "True"}
ForceNoShadowCasting	控制当前SubShader是否投射阴影	Tags {"ForceNoShadowCasting" = "True"}
IgnoreProjector	为True，则表示使用当前SubShader的问题不受Projection影响，通常用于半透明物体	Tags {"IgnoreProjector" = "Ture"}
CanUseSpriteAtlas	当前SubShader用于精灵sprites时，标签为False	Tags {"CanUseSpriteAtlas" = "False"}
PreviewType	指明如何预览该材质，默认情况是球形，可以改成plane、skybox等	Tags {"PreviewType" = "Plane"}

定义的这些标签可以在Unity Shader的导入设置面板查看到：

4.2.3 Pass语义块

Pass语义块可以说是最重要的部分，几乎整个渲染管线可编程的着色器代码都写在Pass语义块内了，它的格式通常如下：

Pass {
    [Name]
    [Tags]
    [RenderSetup]
    //other code
}

• Name——当前Pass的名字

可以是：

Name "MyPassName"

还可以使用ShaderLab的UsePass命令——通过访问其名字，直接使用其他Unity Shader中的Pass，这样可以提高代码的复用性，但须注意用UsePass命令时必须使用大写名字，例如：

UsePass "MyShader/MYPASSNAME"

• Tags——Pass的标签

前面说了，Pass的标签不同于SubShader的标签，但目的是一样的，都是告诉Unity如何渲染该物体，Pass的标签：

Pass的标签类型

标签类型	说明
LightMode	定义该Pass在Unity的渲染流水线中的角色	Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
RequireOptions	指定当满足某些条件时才渲染该Pass	Tags {"RequireOptions" = "SoftVegetation"}

• RenderSetup——设置渲染状态

前面SubShader的状态设置同样适用于Pass。

4.3 Fallback语义块

这个其实就是一个保证：万一当前的显卡实在太low了，现有的所有SubShader都无法运行，FallBack语义块就相当于一个最次备选，给他准备一个Fallback内置的最最low的Shader。

格式通常如下：

Fallback "name"
//or
Fallback Off

Fallback不仅有这一个功能，还能影响阴影的投射。渲染阴影纹理时，Unity需要在Unity Shader中寻找一个阴影投射的Pass，而Fallback刚好有内置的这样一个通用的Pass，有了它我们就不需要再单独写一个Pass了，说明正确设置Fallback是多么的重要！

5 Unity Shader的形式

5.1 表面着色器

学习渲染管线的时候似乎还没听说过这个着色器。

《入门精要》是这么描述的：它是Unity自创的一种着色器代码类型，本质上和顶点/片元着色器是一样的。总结下来有这两个特点，

• 它需要的代码很少，Unity做了很多工作（Unity会在幕后给它转化成顶点/片元着色器），但渲染的代价较大
• 表面着色器是被定义在SubShader里，而不是Pass里
• 被定义在CGPROGRAM和ENDCG之间

5.2 顶点/片元着色器

他们是老朋友了，在Unity中是用Cg/HLSL语言编写的，灵活性相比表面着色器高很多。这里就不介绍啥代码结构啦，后面当然会再次遇到，到时候再剖析也不迟。

5.3 固定函数着色器（被抛弃

关于“固定”，其实我在PC和手机的主流图形API介绍中就提到了：“OpenGL ES 2.0——引入可编程着色器，弃用了1.x中需对固定功能”，其中的固定功能就是指的这个固定函数着色器，是OpenGL ES 1.1及之前的版本会用的，DX的话是7.0之前，现在只有一些旧设备需要使用啦，所以才会说“被抛弃”。

对于它我们不深入了解，只需要知道有过就行。