Unity SRP自定义渲染管线学习2.1: DrawCalls 编写无光物体Shader

写在前面

要绘制出物体，CPU必须告诉GPU绘制什么，怎么绘制？通常Mesh控制了绘制什么，Shader则控制怎么绘制，会给GPU一系列的设置。除了Mesh外，Shader需要额外的信息，包括物体的空间信息矩阵，材质属性等。

Unity的通用渲染管线和高清渲染管线中，可以通过Shader Graph插件来编辑Shader，但是如果是我们自己定义的渲染管线，我们必须自己写Shader代码，自己写的话，我们能够完全控制并且理解好Shader所要做的工作。

软件环境

我使用的Unity版本：Unity2020.3.10f1

编写Shader

我们创建第一个无光只有纯色的Shader，创建后先清空所有的内容

要绘制一个Mesh，GPU必须将Mesh的面进行光栅化，转换成像素数据，通过将顶点坐标从3维空间转换到2维的视图空间，再填入像素数据。这两步就是通过我们自己定义的顶点函数（vertex kernel/program/shader），片元函数（fragment kernel/program/shader)。一个片元对应着显示一个像素或者是纹理像素，但可能不是最终显示的，因为它的上面还可能有其他物体会把它给覆盖掉。
我们先在Unlit Shader中写好基本结构

Shader "Custom RP/Unlit"
{
    Properties {}
    SubShader {
        Pass {
            HLSLPROGRAM  //CGPROGRAM 和 HLSLPROGRAM 都是支持的，但我们看现在的Unity官方的渲染管线都是这么写的了
            //pragma来源于希腊语，指需要做某些事或者一个操作，在很多的编程语言中都用于表示特殊的编译器指令，对，就是指令，或许中文的“指令”一词能比较好的代表其的含义
            #pragma vertex UnlitPassVertex
            #pragma fragment UnlitPassFragment
            #include "UnlitPass.hlsl"  //对应着.cginc，和上面的HLSLPROGRAM一个道理
            
            ENDHLSL
        }
    }
}

我们把一些方法放在UnlitPass.hlsl中，和之前的.cginc是一个道理

先简单实现我们需要的顶点、片元函数

#ifndef CUSTOM_UNLIT_PASS_INCLUDED  //避免被多个文件include，导致重复定义，导致编译错误，基本上头文件开头都得这样子写
#define CUSTOM_UNLIT_PASS_INCLUDED

/* 输入的坐标为什么定义为float3，而不是float4
点坐标和方向向量都被定义为4维坐标，点坐标的w=1，方向向量的w=0，这是为了能够直接对坐标和方向进行矩阵变换。
所以我们定义坐标和方向向量时，如果不需要混合运算的话，我们可以先只定义3维向量，比如把输入数据定义为float3，在最后加上1或0即可，这样可以节约开销。
*/
float4 UnlitPassVertex(float3 positionOS : POSITION) : SV_POSITION  //语义SV_POSITION指返回值是位置坐标，语义需要指出返回的值的用途
{
    //positionOS是物体空间坐标，Object Space
    return float4(positionOS, 1.0);
    // return 0.0;  
}
/*  关于Shader值类型使用float、half、fixed的纠结说明
大部分的移动设备的GPU支持两种精度类型：float和half，half类型性能更优，所以如果在写移动端的shader时可以尽可能的使用half。
根据经验，仅仅位置、纹理坐标需要使用float类型，其他的都可以使用half类型，结果相差无几
但如果不是移动设备，使用哪种精度类型就无所谓了，因为即使我们使用half，实际上GPU用的也是float
而对于fixed类型，只有在一些老的移动设备中才会支持，现在的设备基本都不再支持，所以即使写的是fixed，实际上也是用half
*/
float4 UnlitPassFragment() : SV_TARGET  //语义SV_TARGET指返回值是用于RenderTarget的
{
    return 0.0;  //返回一个值会直接被转换成(0.0, 0.0, 0.0, 0.0)，因为是不透明物体，所以alpha通道为0也没关系
}
#endif

我们先尝试了一下在顶点函数中直接返回物体空间坐标，错误表现

仿照Unity官方管线的做法，添加一个ShaderLibrary目录，添加一个UnityInput文件，用来存放一些通用的方法，比如马上要写的转换空间坐标的方法

#ifndef CUSTOM_UNITY_INPUT_INCLUDED
#define CUSTOM_UNITY_INPUT_INCLUDED
float4x4 unity_ObjectToWorld;  //每一次绘制GPU设置这个值，然后在一次绘制中的顶点片元函数使用期间值不变
float4x4 unity_MatrixVP;  //View-Projection Matrix

#endif

Common.hlsl

#ifndef CUSTOM_COMMON_INCLUDED
#define CUSTOM_COMMON_INCLUDED
#include "UnityInput.hlsl"
float3 TransformObjectToWorld(float3 positionOS)
{
    //Swizzle operation: In computer graphics, swizzling is the ability to compose vectors by arbitrarily rearranging and combining components of other vectors.[1] For example, if A = {1,2,3,4}, where the components are x, y, z, and w respectively, you could compute B = A.wwxy, whereupon B would equal {4,4,1,2}.
    return mul(unity_ObjectToWorld, float4(positionOS, 1.0)).xyz;
    // return 0.0;
}

float4 TransformWorldToHClip(float3 positionWS)
{
    return mul(unity_MatrixVP, float4(positionWS, 1.0));
}

#endif

然后我们就可以在顶点片元函数中使用这些方法了
UnlitPass.hlsl

float4 UnlitPassVertex(float3 positionOS : POSITION) : SV_POSITION  //语义SV_POSITION指返回值是位置坐标，语义需要指出返回的值的用途
{
    //positionOS是物体空间坐标，Object Space
    float3 positionWS = TransformObjectToWorld(positionOS.xyz);
    return TransformWorldToHClip(positionWS);
    // return float4(positionWS, 1.0);
    // return 0.0;  
}

当我们在顶点函数最后输出的是裁剪空间坐标后大小就正确了

Swizzle operation

什么是Swizzle operation或者Swizzling，就是通过任意组合排列一个向量的元素得到另外一个向量的操作，比如A = {1, 2, 3, 4}，我们让B = A.wxxx，那么 B = {4, 1, 1, 1}，这个操作就叫Swizzle operation或者Swizzling

Wiki上原文：
In computer graphics, swizzling is the ability to compose vectors by arbitrarily rearranging and combining components of other vectors.[1] For example, if A = {1,2,3,4}, where the components are x, y, z, and w respectively, you could compute B = A.wwxy, whereupon B would equal {4,4,1,2}.

猫神原文：

使用Core RP Library

实际上我们还可以直接使用Core RP Library，其中有很多已经定义好的通用方法

UnlitPass.hlsl

#ifndef CUSTOM_UNLIT_PASS_INCLUDED  //避免被多个文件include，导致重复定义，导致编译错误，基本上头文件开头都得这样子写
#define CUSTOM_UNLIT_PASS_INCLUDED
#include "../ShaderLibrary/Common.hlsl" //不是一个目录的，需要使用相对路径

Common.hlsl

#ifndef CUSTOM_COMMON_INCLUDED
#define CUSTOM_COMMON_INCLUDED
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Common.hlsl"
#include "UnityInput.hlsl"
#define UNITY_MATRIX_M unity_ObjectToWorld  //所有的UNITY_MATRIX_M会被替换成unity_ObjectToWorld，Unity的Package中用的是UNITY_MATRIX_M
#define UNITY_MATRIX_I_M unity_WorldToObject
#define UNITY_MATRIX_V unity_MatrixV
#define UNITY_MATRIX_VP unity_MatrixVP
#define UNITY_MATRIX_P glstate_matrix_projection
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/SpaceTransforms.hlsl"  //直接将Package的文件包含进来
/* 这两个方法实际上在Core RP Library中已经有定义了，我们可以直接使用Package
float3 TransformObjectToWorld(float3 positionOS)
{
    //Swizzle operation: In computer graphics, swizzling is the ability to compose vectors by arbitrarily rearranging and combining components of other vectors.[1] For example, if A = {1,2,3,4}, where the components are x, y, z, and w respectively, you could compute B = A.wwxy, whereupon B would equal {4,4,1,2}.
    return mul(unity_ObjectToWorld, float4(positionOS, 1.0)).xyz;
    // return 0.0;
}
float4 TransformWorldToHClip(float3 positionWS)
{
    return mul(unity_MatrixVP, float4(positionWS, 1.0));
}
*/
#endif

UnityInput.hlsl

#ifndef CUSTOM_UNITY_INPUT_INCLUDED
#define CUSTOM_UNITY_INPUT_INCLUDED
float4x4 unity_ObjectToWorld;  //每一次绘制GPU设置这个值，然后在一次绘制中的顶点片元函数使用期间值不变
float4x4 unity_WorldToObject;
real4 unity_WorldTransformParams;
float4x4 unity_MatrixVP;  //View-Projection Matrix
float4x4 unity_MatrixV;
float4x4 glstate_matrix_projection;
#endif

添加颜色属性

我们添加颜色的属性变量
Unlit.shader

Properties {
        _BaseColor("Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
    }

UnlitPass.hlsl

float4 _BaseColor;  //用于Shader中定义颜色属性，名称需相同


float4 UnlitPassFragment() : SV_TARGET  //语义SV_TARGET指返回值是用于RenderTarget的
{
    return _BaseColor;
    // return float4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0);
    // return 0.0;  //返回一个值会直接被转换成(0.0, 0.0, 0.0, 0.0)，因为是不透明物体，所以alpha通道为0也没关系
}

这样我们就可以调整颜色了

参考

本文主要学习自： https://catlikecoding.com/unity/tutorials/custom-srp/draw-calls/
https://bitbucket.org/catlikecodingunitytutorials/custom-srp-02-draw-calls/src/master/
catlikecoding是大神的博客，里面有很多教程，膜拜大神，感恩大神。