Unity ShaderLab学习总结(unity shader lerp)

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ShaderLab学习总结Why Bothers？

为什么已经有ShaderForge这种可视化Shader编辑器、为什么Asset Store已经有那么多炫酷的Shader组件可下载，还是有必要学些Shader的编写？

因为上面这些Shader工具/组件最终都是以Shader文件的形式而存在。需要开发人员/技术美术有能力对Shader进行功能分析、效率评估、选择、优化、甚至是Debug。对于特殊的需求，可能还是直接编写Shader比较实际、高效。

总之，Shader编写是重要的；但至于紧不紧急，视乎项目需求。

参考资源Youtube： （包括part1-6）。视频是最佳的学习方式没有之一，所以墙裂建议就算不看下文的所有内容，都要去看一下part1。书籍：《Unity 3D ShaderLab开发实战详解》Unity各种官方文档涉及范围

本文只讨论Unity ShaderLab相关的知识和使用方法。但，

既不讨论渲染相关的基础概念；基础概念可参考Rendering Pipeline Overview等文章。作为移动设备GPU和桌面GPU的最大不同点，tile-based deferred rendering 也是重要的概念。也不讨论具体的渲染技巧。使用Shader

如上图，一句话总结：1. GameObject里有MeshRenderer，2. MeshRenderer里有Material列表，3. 每个Material里有且只有一个Shader；4. Material在编辑器暴露该Shader的可调属性。所以关键是怎么编写Shader。

Shader基础编辑器

使用MonoDevelop这反人类的IDE来编写Shader居然是让人满意的。有语法高亮，无语法提示。如果习惯VisualStudio，可以如下实现.Shader文件的语法高亮。

下载作者donaldwu自己添加的关键词文件usertype.dat。其包括了Unity ShaderLab的部分关键字，和HLSL的所有关键字。关键字以后持续添加中。将下载的usertype.dat放到Microsoft Visual Studio xx.xCommonXIDE文件夹下；打开VS，工具>选项>文本编辑器>文件扩展名，扩展名里填“shader”，编辑器选VC&#;&#;，点击添加；重启VS，Done。Shader

Shader的名字会直接决定shader在material里出现的路径

SubShader

一个Shader有多个SubShader。一个SubShader可理解为一个Shader的一个渲染方案。即SubShader是为了针对不同的显卡而编写的。每个Shader至少1个SubShader、理论可以无限多个，但往往两三个就足够。SubShader和显卡的兼容性判断，和SubShader的标签、Pass的标签和显卡支持的“Unity渲染路径”有关。这些都会在下面逐一提到。

SubShader的Tag

SubShader内部可以有标签（Tags）的定义。Tag指定了这个SubShader的渲染顺序（时机），以及其他的一些设置。

"Queue"标签。定义渲染顺序。预制的&#;为"Background"。&#;为。比如用于天空盒。"Geometry"。&#;为。大部分物体在这个队列。不透明的物体也在这里。这个队列内部的物体的渲染顺序会有进一步的优化（应该是从近到远，early-z test可以剔除不需经过FS处理的片元）。其他队列的物体都是按空间位置的从远到近进行渲染。"AlphaTest"。&#;为。已进行AlphaTest的物体在这个队列。"Transparent"。&#;为。透明物体。"Overlay"。&#;为。比如镜头光晕。用户可以定义任意&#;，比如"Queue"="Geometry&#;""RenderType"标签。Unity可以运行时替换符合特定RenderType的所有Shader。Camera.RenderWithShader或者Camera.SetReplacementShader配合使用。Unity内置的RenderType包括："Opaque"：绝大部分不透明的物体都使用这个；"Transparent"：绝大部分透明的物体、包括粒子特效都使用这个；"Background"：天空盒都使用这个；"Overlay"：GUI、镜头光晕都使用这个；还有其他可参考Rendering with Replaced Shaders；用户也可以定义任意自己的RenderType字符串。"ForceNoShadowCasting"，&#;为"true"时，表示不接受阴影。"IgnoreProjector"，&#;为"true"时，表示不接受Projector组件的投影。Pass

一个SubShader（渲染方案）是由一个个Pass块来执行的。每个Pass都会消耗对应的一个DrawCall。在满足渲染效果的情况下尽可能地减少Pass的数量。

Pass的Tag

和SubShader有自己专属的Tag类&#;，Pass也有Pass专属的Tag。其中最重要Tag是 "LightMode"，指定Pass和Unity的哪一种渲染路径（“Rendering Path”）搭配使用。这里需要描述的Tag取&#;可包括：

Always，永远都渲染，但不处理光照ShadowCaster，用于渲染产生阴影的物体ShadowCollector，用于收集物体阴影到屏幕坐标Buff里。

其他渲染路径相关的Tag详见下面章节“Unity渲染路径种类”。具体所有Tag取&#;，可参考ShaderLab syntax: Pass Tags。

FallBack

当本Shader的所有SubShader都不支持当前显卡，就会使用FallBack语句指定的另一个Shader。FallBack最好指定Unity自己预制的Shader实现，因其一般能够在当前所有显卡运行。

PropertiesShader在Unity编辑器暴露给美术的参数，通过Properties来实现。所有可能的参数如上所示。主要也就Float、Vector和Texture这3类。除了通过编辑器编辑Properties，脚本也可以通过Material的接口（比如SetFloat、SetTexture编辑）之后在Shader程序通过[name]（固定管线）或直接name（可编程Shader）访问这些属性。Shader中的数据类型

有3种基本数&#;类型：float、half和fixed。这3种基本数&#;类型可以再组成vector和matrix，比如half3是由3个half组成、float4x4是由个float组成。

float：位高精度浮点数。half：位中精度浮点数。范围是[-6万, &#;6万]，能精确到十进制的小数点后3.3位。fixed：位低精度浮点数。范围是[-2, 2]，精度是1/。数据类型影响性能精度够用就好。颜色和单位向量，使用fixed其他情况，尽量使用half（即范围在[-6万, &#;6万]内、精确到小数点后3.3位）；否则才使用float。不要将低精度fixed类型转换为更高的精度，否则会产生性能问题。低精度fixed不要使用“swizzle”（即形如myFixed4.xyzw、myFixed2.xyxy，中文不知咋译，“搅和访问”？），否则会产生性能问题。

作者donaldwu说：swizzle在编写Shader里是经常用到的，但到底怎样才算swizzle？myFixed4.x算不算？myFixed4.xyzw算不算？myFixed4.xyxy算不算？还是都算？这个目前没有找到权威的定义，所以为了不要影响效率，建议fixed尽量不要出现上面任意一种形式。

Shader形态Shader形态之1：固定管线

固定管线是为了兼容老式显卡。都是顶点光照。之后固定管线可能是被Unity抛弃的功能，所以最好不学它、当它不存在。特征是里面出现了形如下面Material块、没有CGPROGRAM和ENDCG块。

Shader形态之2：可编程Shader功能最强大、最自由的形态。特征是在Pass里出现CGPROGRAM和ENDCG块编译指令#pragma。详见官网Cg snippets。其中重要的包括：编译指令示例/含义#pragma vertex name#pragma fragment name替换name，来指定Vertex Shader函数、Fragment Shader函数。#pragma target name替换name（为2.0、3.0等）。设置编译目标shader model的版本。#pragma only_renderers name name ...#pragma exclude_renderers name name...#pragma only_renderers gles gles3，#pragma exclude_renderers d3d9 d3d opengl，只为指定渲染平台（render platform）编译引用库。通过形如#include "UnityCG.cginc"引入指定的库。常用的就是UnityCG.cginc了。其他库详见官网Built-in shader include files。ShaderLab内置&#;。Unity给Shader程序提供了便捷的、常用的&#;，比如下面例子中的UNITY_MATRIX_MVP就代表了这个时刻的MVP矩阵。详见官网ShaderLab built-in values。Shader输入输出参数语义（Semantics）。在管线流程中每个阶段之间（比如Vertex Shader阶段和FragmentShader阶段之间）的输入输出参数，通过语义字符串，来指定参数的含义。常用的语义包括：COLOR、SV_Position、TEXCOORD[n]。完整的参数语义可见HLSL Semantic（由于是HLSL的连接，所以可能不完全在Unity里可以使用）。特别地，因为Vertex Shader的的输入往往是管线的最开始，Unity为此内置了常用的数据结构：数据结构含义appdata_basevertex shader input with position, normal, one texture coordinate.appdata_tanvertex shader input with position, normal, tangent, one texture coordinate.appdata_fullvertex shader input with position, normal, tangent, vertex color and two texture coordinates.appdata_imgvertex shader input with position and one texture coordinate.Shader形态之3：SurfaceShaderSurfaceShader可以认为是一个光照Shader的语法糖、一个光照VS/FS的生成器。减少了开发者写重复代码的需要。在手游，由于对性能要求比较高，所以不建议使用SurfaceShader。因为SurfaceShader是一个比较“通用”的功能，而通用往往导致性能不高。特征是在SubShader里出现CGPROGRAM和ENDCG块。（而不是出现在Pass里。因为SurfaceShader自己会编译成多个Pass。）编译指令是：#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]surfaceFunction：surfaceShader函数，形如void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)lightModel：使用的光照模式。包括Lambert（漫反射）和BlinnPhong（镜面反射）。也可以自己定义光照函数。比如编译指令为#pragma surface surf MyCalc在Shader里定义half4 LightingMyCalc (SurfaceOutput s, 参数略)函数进行处理(函数名在签名加上了“Lighting”）。详见Custom Lighting models in Surface Shaders你定义输入数据结构（比如上面的Input）、编写自己的Surface函数处理输入、最终输出修改过后的SurfaceOutput。SurfaceOutput的定义为Unity渲染路径（Rendering Path）种类概述

开发者可以在Unity工程的PlayerSettings设置对渲染路径进行3选1：

Deferred Lighting，延迟光照路径。3者中最高质量地还原光照阴影。光照性能只与最终像素数目有关，光源数量再多都不会影响性能。Forward Rendering，顺序渲染路径。能发挥出Shader全部特性的渲染路径，当然也就支持像素级光照。最常用、功能最自由，性能与光源数目*受光照物体数目有关，具体性能视乎其具体使用到的Shader的复杂度。Vertex Lit，顶点光照路径。顶点级光照。性能最高、兼容性最强、支持特性最少、品质最差。渲染路径的内部阶段和Pass的LightMode标签

每个渲染路径的内部会再分为几个阶段。然后，Shader里的每个Pass，都可以指定为不同的LightMode。而LightMode实际就是说：“我希望这个Pass在这个XXX渲染路径的这个YYY子阶段被执行”。

Deferred Ligting渲染路径内部子阶段对应的LightMode描述Base Pass"PrepassBase"渲染物体信息。即把法向量、高光度到一张ARGB的物体信息纹理上，把深度信息保存在Z-Buff上。Lighting Pass无对应可编程Pass根据Base Pass得出的物体信息，在屏幕坐标系下，使用BlinnPhong光照模式，把光照信息渲染到ARGB的光照信息纹理上（RGB表示diffuse颜色&#;、A表示高光度）Final Pass"PrepassFinal"根据光照信息纹理，物体再渲染一次，将光照信息、纹理信息和自发光信息最终混合。LightMap也在这个Pass进行。Forward Rendering渲染路径内部子阶段对应的LightMode描述Base Pass"ForwardBase"渲染：最亮一个的方向光光源（像素级）和对应的阴影、所有顶点级光源、LightMap、所有LightProbe的SH光源（Sphere Harmonic，球谐函数，效率超高的低频光）、环境光、自发光。Additional Passes"ForwardAdd"其他需要像素级渲染的的光源

注意到的是，在Forward Rendering中，光源可能是像素级光源、顶点级光源或SH光源。其判断标准是：

配制成“Not Important”的光源都是顶点级光源和SH光源最亮的方向光永远都是像素级光源配置成“Important”的都是像素级光源上面2种情况加起来的像素级光源数目小于“Quality Settings”里面的“Pixel Light Count”的话，会把第1种情况的光源补为额外的像素级光源。

另外，配置成“Auto”的光源有更复杂的判断标注，截图如下：

具体可参考Forward Rendering Path Details。

Vertex Lit渲染路径内部子阶段对应的LightMode描述Vertex"Vertex"渲染无LightMap物体VertexLMRGBM"VertexLMRGBM"渲染有RGBM编码的LightMap物体VertexLM"VertexLM"渲染有双LDR编码的LightMap物体不同LightMode的Pass的被选择

一个工程的渲染路径是唯一的，但一个工程里的Shader是允许配有不同LightMode的Pass的。在Unity，策略是“从工程配置的渲染路径模式开始，按Deferred、Forward、VertxLit的顺序，搜索最匹配的LightMode的一个Pass”。比如，在配置成Deferred路径时，优先选有Deferred相关LightMode的Pass；找不到才会选Forward相关的Pass；还找不到，才会选VertexLit相关的Pass。再比如，在配置成Forward路径时，优先选Forward相关的Pass；找不到才会选VertexLit相关的Pass。

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shader编程学习（1）第一个shader 前言简单说，shader是为渲染管线中的特定处理阶段提供算法的一段代码，在现在主流的3D游戏引擎中，shader已经无处不在，例如常见的镜头景深（PS:通过