Unity Shader 00 - 梳理 Unity Shader 的基本結構

drnkcff發表於2020-10-07
Unity

0x00 寫在前面

之前一直在閱讀 The Book of Shaders 一書，為什麼會開始寫 Unity Shader 呢？一方面，因為該書目前尚未完結，寫下此文時已閱讀到該書的最新章節；另一方面，也需要通過一些實踐來檢驗以及鞏固所學的知識。Unity 引擎提供的環境正好是一個不錯的媒介。

本文沒有完整可執行的 Shader 程式碼，只是簡單梳理一下 Unity Shader 的基本結構，為之後學習做鋪墊。

0x01 基本框架

一段 Unity Shader 的基本結構如下：

// 路徑及名字
Shader "Path/ShaderName"
{
    // 材質屬性
    Properties
    {

    }

    // 子著色器
    SubShader
    {
        [Tags]
        [RenderSetup]
        Pass
        {
            Name "PassName"
            [Tags]
            [RenderSetup]
            // ...
            // 頂點/片元著色器
        }
        // 更多 Pass 可選
    }
    // 更多 SubShader 可選
    Fallback "OtherShaderName" // 可選
}

0x02 名字

Path/ShaderName 決定該 Shader 在選擇皮膚上所處的位置，很像檔案的全路徑。例如，Shader "Path0/Path1/CustomShader" 將位於 Path0 → Path1 → CustomShader：

0x03 屬性

Properties 括號中定義的屬性將在材質皮膚上展示，可以方便地進行調節。

Properties
{
    Name("Display Name", Type) = DefaultValue
    // Other Properties
}

定義一個屬性，就像在 C 語言中定義一個變數一樣，只是格式稍有不同。在上面的程式碼中，Name 是屬性的名字，Display Name 是用於展示在材質皮膚上的名字，Type 是屬性的型別，DefaultValue 是屬性的預設值。ps：其中 Name 常常以下劃線開頭，例如 _PropertiesName。

下面列出一些常用的屬性：

數字

_Number0("Number 0", Range(-2.0, 2.0)) = 0.0
_Number1("Number 1", Float) = 0.618
_Number2("Number 2", Int) = 3

其中，Range 將在皮膚上展示一個滑動條，它的兩個引數依次表示可以滑動的最小值和最大值。Float 是浮點數，Int 是整數。

顏色和向量

_Color("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Vector("Vector", Vector) = (1, 1, 1, 1)

顏色 Color 的四個值分別表示 RGBA，在皮膚上將會展示修改按鈕以及吸取按鈕。向量 Vector 為四維向量，在皮膚上展示為 XYZW 四個格子。

紋理

_2DTexture("2D Texture", 2D) = "defaulttexture" {}
_Cube("Cube", Cube) = "defaulttexture" {}
_3DTexture("3D Texture", 3D) = "defaulttexture" {}

2D 表示 2D 紋理貼圖，Cube 表示立方體貼圖，3D 表示 3D 紋理貼圖。它們都有 Tiling 和 Offset。

在 Properties 中定義的屬性可以在 SubShader 的程式碼塊中使用，只需要在相應的地方定義與這些屬性名字相同、型別匹配的變數即可。SubShader 中的型別與 Properties 中的稍有不同，下面列出兩者對應的匹配關係：

  • Color 和 Vector 可對應 float4、half4、fixed4
  • Range 和 Float 可對應 float、half、fixed
  • 2D 對應 sampler2D
  • Cube 對應 samplerCUBE
  • 3D 對應 sampler3D

SubShader 程式碼中，有的屬性也可以不在 Properties 中定義，兩者都可以在執行時通過 C# 指令碼動態地進行修改（如，使用方法 Material.SetFloat 修改浮點屬性）。兩者的區別是，定義在 Properties 中的屬性在修改後將會被儲存，而不在 Properties 中的屬性則不會。

0x04 SubShader

每個 Unity Shader 中都可以包含多個 SubShader，當 Unity 展示一個 Mesh 時，將會從這些 SubShader 中找到第一個可以執行的來執行。因為不同的硬體對 Shader 的支援不同，這裡可以理解為

0x05 Tags

Tags 是 kv 結構，用來指定 Shader 怎樣以及何時渲染物件。

Tags { "TagName1" = "Value1" "TagName2" = "Value2" }

關於 Tags 的詳細說明可以檢視：ShaderLab: SubShader Tags。

0X06 RenderSetup

RenderSetup 用來設定顯示卡的渲染狀態。比如，設定剔除模式。

Cull Back | Front | Off

關於渲染狀態的詳細設定可以檢視：ShaderLab: Pass。

0x07 Pass

在 SubShader 中指定的 RenderSetup 將會應用到所有 Pass 中，我們也可以在 Pass 中單獨指定。Pass 中的 Tags 與 SubShader 中的有所不同，主要用於控制該 Pass 中的環境光、頂點照明等，詳見：ShaderLab: Pass Tags。

Pass
{
    Name "PassName" // 可選
    [Tags]
    [RenderSetup]
    // ...
    // 頂點/片元著色器
}

當用 Name 為 Pass 指定名字後，可以在其它地方複用這個 Pass。其中，Pass 名需要大寫。用法如下：

UsePass "ShaderName/PASSNAME"

一個 SubShader 中可以有多個 Pass，這些 Pass 將會被依次執行。

0x08 Fallback

如果所有 SubShader 都無法使用時，將會嘗試使用 Fallback 指定的著色器。如：

Fallback "Diffuse"

0X09 總結

本文簡單梳理了一下 Unity Shader 的基本結構，因為了解不深，部分內容只能粗略帶過。這些內容在以後有需要時會再深入研究。

最後，再回顧一下 Unity Shader 的基本結構吧：

  • 每個 Shader 都需要定義名字，格式為：Shader "Path/ShaderName" {}。
  • 在 Shader 的括號中，如果有需要，我們可以在 Properties 語義塊中定義材質的屬性。
  • 每個 Shader 都包含多個子著色器 SubShader。使用多個 SubShader 是因為不同的硬體對 Shader 的支援有所不同。當例項執行時，引擎會幫我們找到第一個可以執行的 SubShader 來執行。當所有的 SubShader 都不能執行時，則使用 Fallback 指定的 Shader。
  • 每個 SubShader 包含多個 Pass，每個 Pass 表示一個渲染流程。因為有的效果需要幾個渲染才能表現出來，這時候就需要使用多個 Pass 了。
  • SubShader 和 Pass 都可以通過一些語義 (Tags 和 RenderType) 來設定渲染狀態，Pass 還可以通過：Name "PassName" 來指定 Pass 的名字。

參考資料:

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