unity Shader

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前言

学习shader不会是一门课的知识就能够掌握的，还是需要多个课程/教程“服用”效果更佳。好好学基础知识，基础决定上层建筑。
推荐：
①、《unity shader 入门精要 》这本书作为基础入门，细嚼慢咽更有味道。
②、B站上庄懂老师的课程（更适合美术往TA发展的基础教程）
③、B站上的GAMES101-现代计算机图形学入门-闫令琪老师的课程适合了解计算机图形学方面的知识
④、还可以去B站看看百人计划，百人计划虽说是零基础，但有些课程内容还是需要有一点基础才能看懂的，定义为中级的比较合适。

最后，为自己的学习做个小小的笔记

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1 unity shader代码结构

Shader "MyShader/ShaderName"        //shader命名
{
    Properties
    {
        //unity属性Properties段
    }
    
    SubShader
    {
    	// 定义可选的标签【Tags】和渲染设置【RenderSetup】
        Tags { "RenderType"="Opaque" }

        Pass
        {
			name "FORWARD"
			Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
			
			//Cg代码代码片段，以CGPROGRAM开始，ENDCG结束
            CGPROGRAM
            
            //编译指令
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            //引入unity内置shader中的UnityCG.cginc库文件
            #include "UnityCG.cginc"
			
			// shader代码执行的顺序为：     输入结构>>>顶点Shader>>>输出结构>>>片元/像素shader
			
			//输入结构，appdata是输入结构的名字（名字可以自定义，但为了规范性和别人能看懂建议用appdata，VertInput，a2f这些来命名）
            struct appdata
            {
            	//将需要用到的模型的数据输入，如顶点坐标、法线、uv等
            };

			//输出结构，v2f是输入结构的名字，也有用VertOutput命名的
            struct v2f
            {
            	//将顶点shader中准备的数据作为结构体保存
            };
            
			//顶点shader
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;                                             //新建一个v2f输出结构
                //一般在这对片元shader需要的数据做变换，准备的数据就是输出结构中的数据，会在这将模型的信息从模型空间转换成世界空间中的信息
                return o;                                          // 将输出结构输出
            }

			//片元/像素shader
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
				//重点的运算操作在这里执行。片元or像素shader运算段
            }
            
            //Cg代码结束字
            ENDCG
        }
    }

	//FallBack语义段，也可以没有该语义段，但是为了某些设备不支持上述的shader，可以回调某个消耗性能不高的shader设置
	//如下代码是，如果硬件不支持上面的shader,则回调unity内置的"Diffuse" 
	FallBack "Diffuse"                                                      
}

1.1 shader命名

通过在字符串中添加斜杠（“/”），可以控制Unity Shader在材质面板中出现的位置。
如代码块中的 Shader “MyShader/ShaderName” {}；
则这个unity shader在材质面板中的位置就是shader->MyShader；ShaderName就是该unity shader的名字。

1.2 Properties语义块

• Properties语义并不是必需的，我们可以选择不声明任何材质属性。
• 在Unity中，这些属性的名字通常由一个下划线“_”开始，如"_MainTex"。
• Properties语义块的作用仅仅是为了让这些属性可以出现在材质面板中。

Properties语义块定义：

Properties
{
	Name("display name" , PropertyType) = DefaultValue
	//如下贴图的属性定义
	_MainTex("主贴图", 2D) = "white"{}
}

所有属性类型的例子

//数值型
_Int ("Int", Int) = 1
_Float ("Float", Float) = 1.0
_Range ("Range", Range(1,50)) = 10
//颜色和向量
_Color("Color", Cplor) = (1,1,1,1)
_Vector ("Vector", Vector) = (2,3,6,1)
//纹理型 Textures
_2D("2D", 2D) = ""{}
_Cube("Cube", Cube) = "white"{}
_3D("3D", 3D) = "black"{}

①对于Int、Float、Range这些数字类型的属性，其默认值就是一个单独的数字；
②对于Color和Vector这类属性，默认值是用圆括号包围的一个四维向量；
③对于2D、Cube、3D这3种纹理类型，它们的默认值是通过一个字符串后跟一个花括号来指定的，其中，字符串要么是空的，要么是内置的纹理名称，如“white”“black”“gray”或者“bump”。(当该纹理是法线纹理的时候使用的是“bump”)

属性定义完后，在使用前还需要声明该属性

Properties
{
	_MainCol("颜色",color) = (1.0,1.0,1.0,1.0)
	_SpecularPow("高光次幂",Range(1,90)) = 30
}

	//在Cg语言中声明属性值，并且必须要在属性值使用前声明，一般建议把该声明放在输入结构前
	//要和Properties段定义的参数一一对应，如Properties中是_MainCol，这里也要是_MainCol；并且适当的选取参数
	uniform float3 _MainCol;       
	uniform float _SpecularPow;     

uniform修饰字共享于vert和frag；attibute修饰字仅用于vert；varying用于vert，frag传数据，不写这些修饰字也可以，写了是为了更加的规范。

1.3 SubShader

• 每一个Unity Shader文件可以包含多个SubShader语义块，但最少要有一个。
• 其中SubShader中定义了一系列Pass、可选的状态（[RenderSetup]）和标签（[Tags]）设置。

1.3.1 Pass

• 每个Pass定义了一次完整的渲染流程，但如果Pass的数目过多，往往会造成渲染性能的下降。

1.3.2 SubShader和Pass中的状态和标签设置

• 状态和标签同样可以在Pass声明。
• SubShader中的标签（[Tags]）设置是特定的，和Pass中使用的标签是不一样的。
• SubShader的标签（Tags）是一个键值对（Key/Value Pair），它的键和值都是字符串类型。这些键值对是SubShader和渲染引擎之间的沟通桥梁。
• 对于状态（[RenderSetup]）设置来说，SubShader和Pass中使用的语法是相同的。但如果在SubShader进行了这些设置，那么将会用于所有的Pass。

标签的结构：

Tags{ "TagsName1" = "Value1"   "TagsName2" = "Value2"  }

1.4 Fallback

• Unity提供这种语义的原因在于，不同的显卡具有不同的能力。
• 一般VertexLit、Diffuse、Specular等作为回调。

FallBack "Diffuse" 

2 关于unity内置shader库文件

2.1 如何查看unity内置shader库

①、可以在unity安装路径中的文件夹里面找到unity的内置shaderLab的一下库文件，比如//…/unity版本号\Editor\Data\CGIncludes的文件夹里面就能找到常用的unityCG.cginc文件。
②、找不到这个文件夹可以到unity官方网站下载。

2.2 unity shader库文件or函数

• 包含文件（include file），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。
• 有一些文件是即便我们没有使用#include指令，它们也是会被自动包含进来的，例如UnityShaderVariables.cginc。

2.2.1 unity常用内置函数

函数	描述
float4 UnityObjectToClipPos ( float4 v);	输入一个模型空间的顶点位置，返回世界空间中该顶点的位置（将顶点信息从模型空间变换到屏幕空间）
float3 ObjectSpaceViewDir	输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到摄像机的观察方向
float3 ObjSpaceViewDir ( float4 v )	输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到摄像机的观察方向
float3 WorldSpaceLightDir ( float4 v )	输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向。没有被归一化（仅可用于前向渲染中）
float3 ObjSpaceLightDir ( float4 v )	输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到光源的光照方向。没有被归一化（仅可用于前向渲染中）
float3 UnityObjectToWorldNormal (float3 normal)	把法线方向从模型空间变换到世界空间
float3 UnityObjectToWorldDir (in float3 dir)	把方向矢量从模型空间变换到世界空间
float3 UnityWorldToObjectDir (float3 dir)	把方向矢量从世界空间变换到模型空间

2.3 如何使用unity库文件or库文件函数

2.3.1 引入unity库文件

①、内置库文件

//使用#Include引入unity shader中内置的UnityCG.cginc文件，还有一些其他的内置文件，可自行查看
#include "UnityCG.cginc"

②、自定义库文件

• 创建自定义的库文件，并进行编写库文件内容。
• 在创建的unity shader代码块中先引入自定义的库文件，就能使用库文件中自定义的函数等内容。

2.4 unity常用语义

• POSITION将告诉Unity，把模型的顶点坐标填充到输入参数v中；
• SV_POSITION将告诉Unity，顶点着色器的输出是裁剪空间中的顶点坐标。

①、从应用阶段传递模型数据给顶点着色器时unity支持的常用语义（输入结构）

语义	描述
POSITION	模型空间中的顶点位置，通常是 float4 类型
NORMAL	顶点法线，通常是 float3 类型
TANGENT	顶点切线，通常是 float4 类型
TEXCOORDn ，如TEXCOORD0，TEXCOORD1	该顶点的纹理坐标，TEXCOORD0表示第一组坐标纹理，通常是float2，或float4类型（unity中最多支持模型拥有四套uv）
COLOR	顶点颜色，通常是fixed4或float4类型

②、顶点着色器传递模型数据给片元着色器时unity支持的常用语义（输出结构）

语义	描述
SV_POSITION	裁剪空间中的顶点坐标，结构体中必须包含一个用该语义修饰的变量。等同于DirectX9中的POSITION，但最好使用SV_POSITION
COLOR0	通常用于输出第一组顶点颜色，但不是必须的
COLOR1	通常用于输出第二组顶点颜色，但不是必须的
TEXCOORD0~TXECOORD7	通常用于输出纹理坐标，但不是必须的

③、片元着色器输出时unity支持的常用语义（片元shader）

语义	描述
SV_Target	输出值将会存储到渲染目标（render target）中。等同于DirectX9中的COLOR语义，但最好使用 SV_Target