Unity3D Shader编程实践——“Hello Shader"

Unity3D Shader编程实践——“Hello Shader"

  By D.S.Qiu

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         从去年毕业后一直都在折腾 Unity3D ，一直也没有什么积累（前几个月一直在打酱油），对于一个连数据库都没有学过的人来说，需要积累的实在太多了。那只有从自己感兴趣的开始，也许是自己本科接触过一些数字图像处理，图像的渲染处理就特别吸引我。对 Unity Shader 也只是一知半解，为了能够系统的掌握 Shader 编程就决定开始“Unity3D Shader编程实践”系列文章的写作，目的只是记录自己学习的点滴，但如果能让他人受益就更好了。好了，D.S.Qiu不喜欢废话，那就开始吧。

Shader和Material

         Shader和Material是3D开发必不可少的部分，D.S.Qiu一开始对这两个关系及作用一直搞不透，所以很有必要先介绍下Shader和Material的基本概念：Shader（着色器）其实就是一小段程序，它将输入的Texture(贴图），颜色或其他参数以指定方式输出。Shader都是指定给Material，Material为Shader提供输入的贴图等参数。在Material上输入的贴图或者颜色等，加上对应的Shader，以及对Shader的特定的参数设置，将这些内容（Shader及输入参数）打包存储在一起，得到的就是一个Material（材质）。之后，便可以将材质赋予Mesh（网格）的Renderer（渲染器）来进行渲染（输出）了，绘图单元根据这个输出就得到屏幕输出的图像。简而言之：Material为Shader提供具体的输入参数，而Shader是对输入参数的具体处理逻辑。

Hello Shader

        学习编程语言都习惯以一个Hello World 开始，这里也以“Hello Shader"开始，介绍Shader的基本结构，首先创建Material 和 Shader，而且都命名为Hello，并放入一张图片，项目工程如下图：

       下面看下HelloShader的代码：

Shader "Custom/HelloShader" {   
	Properties {
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
	}
	SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 200
		
		CGPROGRAM
		#pragma surface surf Lambert

		sampler2D _MainTex;

		struct Input {
			float2 uv_MainTex;
		};

		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
			//o.Albedo = c.rgb;
			o.Albedo = fixed3(1,0,0);  //返回红色
			o.Alpha = c.a;
		}
		ENDCG
	} 
	FallBack "Diffuse"
}

        在场景里创建一个Cube，把Hello Material 指定给 Mesh Renderer 的 Materials的Element 0 ，就得到下面的效果（只有一块红色）：

        显然，这个Shader就是将贴图上的像素都设为红色。 下面逐行讲解下这个Shader的语句：

        第一行定义的是这个Shader的名字一般的格式是分类+名字，并用“/"分隔：

Shader "Custom/HelloShader"

        在 Properties {} 的结构中，定义的属性就是前面说到的Shader输入参数，而且 Properties{} 中定义的属性也是Material提供得到的，在Unity中Material 的 Inspector面板上可以设置对应属性的值。先看下定义 Property 的格式：

        上图中，_Color是在Shader内的变量，Main Color是在Inspector 面板显示的名字，Color是属性的类型，(1,1,0)是属性的默认值。Hello Shader在Properties只定义了一张贴图：

_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}

        SubShader{} 结构就是一个具体的处理，对于不同的显卡可以有不同的处理，即可以定义多个SubShader{}结构，不同的设备优先选择一个可以允许的SubShader运行。在SubShader前面定义了 Tags{} 和 LOD ，这里可以先不管，只需要理解成设置 SubShader 的参数就可，后面会做详细的介绍。

       在看下最后一句 FallBack "Diffuse"，这个语句的作用是如果前面的 SubShader都不能在设备上运行的情况下，就运行FallBack 指定的Shader运行。

FallBack "Diffuse"

      

       前面讲解的是 Shader 的结构的东西，更多细节会后面的章节做介绍。本文主要介绍Hello Shader的主要处理过程：

CGPROGRAM
		#pragma surface surf Lambert

		sampler2D _MainTex;

		struct Input {
			float2 uv_MainTex;
		};

		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
			//o.Albedo = c.rgb;
			o.Albedo = fixed3(1,0,0);  //返回红色
			o.Alpha = c.a;
		}
		ENDCG

        首先 CGPRPGRAM  和 ENDCG 表示这是一段CG程序，分别表示CG程序的开始和介绍。Unity的Shader用的是Nvidia Cg 语言。

        接下来  #pragma surface surf Lambert 声明了HelloShader 定义的是一个表面（Surface）Shader（后面会有介绍），它的处理函数式 surf ，并且指定的光照模型是 Lambert。语句的原型是这样的：

               #pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]   其中 surface 是声明为 表面Shader， surfaceFuction 是Shader的指定实现方法， lightMode[optionalparams]是Shader使用的光照模型

        这里的 surf 相当于 C语言的main函数，可以认为是Shader的执行入口，不过跟main不同的是，他可以随意命名，然后在 #pragma surface 指定就行了。

        surf 有两个参数，Input IN 和 SurfaceOutput o（inout 是一个形参的修饰符，表示可做输入或输出的引用类型），其中Input 是HelloShader定义的输入参数结构体：

struct Input {
	float2 uv_MainTex;
};

        Input结构里中指定定义了一个 float2 uv_MainTex 变量，uv_MainText表示贴图 _MainTex 的uv向量。而 _MainTex 就是前面定义 sampler2D _MainTex ，这里 sampler2D 和 float2 都是Cg的数据类型（后面会有专门章节介绍Cg的数据类型已经基本语法）。

       SurfaceOutput 类型是预定义的，可先不去深究：

struct SurfaceOutput {
	half3 Albedo;	 //像素的颜色
	half3 Normal;	 //像素的法向值
	half3 Emission;   //像素的发散颜色
	half Specular;	//像素的镜面高光
	half Gloss;	   //像素的发光强度
	half Alpha;	   //像素的透明度
};

      也就是说 surf 方法其实对输入结构 Input IN 进行处理，得到输出 SurfaceOutput o的像素结构。那HelloShader进行什么样的处理呢？

             half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);   //tex2D 是对_MainTex 的 IN.uv_MainTex位置进行采样得到(r,g,b,a)的四元组 c

        o.Albedo = fixed3(1,0,0);  //直接返回红色作为输出像素的颜色，这样导致看到就是一个红色块

       o.Alpha = c.a;     //返回c的alpha值，作为输出像素的alpha值

    将 o.Albedo = fixed3(1,0,0) 改为 o.Albedo = c.rgb 在屏幕就会输出原来的贴图。

小结：

    万事开头难，写的很简单，本来昨晚就应该写好的，但后面还是去睡觉了。只是对Shader进行了简单的介绍，很多细节都没交代清楚，意犹未尽，D.S.Qiu后面进行专门的介绍会更好些：

              Cg的基础语法

              Unity Shader的结构

              Unity Shader类型（Surface,Vert,Fragment）

       

        文章内容大多不是D.S.Qiu原创，只是为了记录自己的学习过程。

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