Shader基础笔记（3）- Shader基本语法

开始以前

为了得到更好的观察效果，我们先把Unity(2017.3)默认的天空盒子去掉。方法是：Window — Lighting — Settings —
Skybox Material 选择 None(Material)。

一个最简单的顶点/片元着色器

Shader "MyShader/NewShader"
{  
    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
           // 该代码片段的编译指令，例如：
           #pragram vertex vert
           #pragram fragment frag
           
           // CG 代码写在这里。
           
           ENDCG
           
           // 其他设置。
       }
       
       // 其他需要的 pass。
   }
   
   SubShader{
       // 针对显卡 B 的 SubShader。
   }
   
   // 上述 SbuShader 都失败后用于回调的 Unity SubShader。
   Fallback "VertexLit" 
}

第一个例子：

Shader "MyShader/NewShader"
{  
    
   SubShader{
       Pass{
           CGPROGRAM
           
           #pragma vertex vert
           #pragma fragment frag
           
           float4 vert(float4 v : POSITION) : SV_POSITION{
               // return mul (UNITY_MATRIX_MVP, v); // 用于将顶点/方向矢量从模型空间变换到剪裁空间。
               return UnityObjectToClipPos (v); // 用于将顶点/方向矢量从模型空间变换到剪裁空间。
           }
           
           fixed4 frag() : SV_Target{
               return fixed4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
           }  
                                
           ENDCG
       }
   }
}

• #pragma vertex vert和#pragma fragment frag将告诉 Unity哪个函数包含了顶点着色器代码，哪个包含了片元着色器代码。更通用的编译指令如下：

#pragma vertex name 
#pramgma fragment name    

• vert函数：

float4 vert(float4 v : POSITION) : SV_POSITION{
    return mul (UNITY_MATRIX_MVP, v);
}

1. POSITON 和 SV_Position 都是 CG/HLSL 中的语义，它们是不可省略的，这些语义告诉系统用户需要哪些输入值，以及用户的输出是什么。此例中， POSITON 告诉 Unity 把模型的顶点坐标填充到输入参数 v 中，SV_Position 告诉 Unity 顶点着色器的输出是剪裁空间中的顶点坐标。
2. UNITY_MATRIX_MVP 矩阵是 Unity 内置的模型·观察·投影矩阵，其将把顶点坐标从模型空间转换到剪裁空间。

• frag 函数：

fixed4 frag() : SV_Target{
    return fixed4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
}

1. 在本例中，frag 函数没有任何输入，它的输出是一个 fixed4 类型的变量，并且使用了 SV_Target 语义进行限定。SV_Target 也是 HLSL 中的一个系统语义，它等同于告诉渲染器，把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中，这里将输出到默认的帧缓存中。
2. (0, 0, 0)是黑色，(1, 1, 1)是白色。

使用结构体定义着色器的输入

修改之后的代码：

Shader "MyShader/NewShader"
{    
   SubShader{
       Pass{
           CGPROGRAM
           
           #pragma vertex vert
           #pragma fragment frag
           
           // 使用结构体来定义顶点着色器的输入。
           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，用模型空间的法线方向填充 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;
               
           }; // 注意结构体的分号。
           
           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
       }
   }
}

1. 新结构体 a2v 包含了顶点着色器需要的模型数据。
2. 对于顶点着色器的输出，Unity 支持的语义有：POSITION，TANGENT，NORMAL，TEXCOORD0，TEXCOORD1，TEXCOORD2，TEXCOORD3，COLOR等。
3. 语义是不可以忽略的。
4. a2v 的含义：a 表示应用（application），v 表示顶点着色器（vertex shader），a2v 表示把数据从应用阶段传递到顶点着色器中。

顶点着色器和片元着色器之间的通信。

在实践中，我们往往希望从顶点着色器输出一些数据，例如把模型的法线、纹理坐标等传递给片元着色器。这就涉及顶点着色器和片元着色器之间的通信。修改代码如下：

Shader "MyShader/NewShader"
{    
   SubShader{
       Pass{
           CGPROGRAM
           
           #pragma vertex vert
           #pragma fragment frag

           struct a2v{                
               float4 vertex : POSITION;
               float3 normal : NORMAL;
               float4 texcoord : TEXCOORD0;               
           }; 
           
           struct v2f{            
               float4 pos : SV_POSITION;   
               fixed3 color : COLOR0;         
           };
           
           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]。
               // 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{
               return fixed4(i.color, 1.0);
           }
           ENDCG
       }
   }
}

效果截图：

引入属性

Shader "MyShader/NewShader"
{   
    
    Properties{
    _Color ("Color Tint", color) = (1.0, 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){
           
               // 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]。
               // 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;
               return fixed4(c, 1.0);
           }
           ENDCG
       }
   }
}

Unity提供的内置文件和变量

包含文件，是类似于 C++ 中头文件的一种文件。在 Unity 中，它们的文件后缀是 .cginc。在编写 Shader 时，我们可以使用#include 指令把这些文件包含进来，这样我们就可以使用 Unity 为我们提供的一些非常有用的变量和帮助函数。例如：

CGPROGRAM
    // ...
    #include "UnityCG.cginc"
    // ...
ENDCG

Unity 支持的语义

给张照片：

float、half 还是 fixed

float： 最高精度的浮点值，32位存储。
half： 中等精度的浮点值，16位存储，范围：-60000 ~ +60000。
fixed： 最低精度的浮点值，11位存储，范围：-2.0 ~ +2.0。