Koo叔说Shader-Unity中的Shader

前言

Unity有自己的一套Shader系统，叫ShaderLab,今天主要说一下ShaderLab的语法和Unity中的几种不同种类的Shader的区别及使用场景，并分别做一些例子说明。

什么是ShaderLab

ShaderLab 是Unity3d自己封装的一个调用CG/HLSL/GLSL的接口,如果熟悉CG/HLSL/GLSL中的一种，理解起来会比较容易一些。

ShaderLab语法

首先，看一下ShaderLab的基本结构如下：

Shader "MyShader"{Properties{_MyTexture("My Texture",2D) = "white"{}//other properties like colors or vectors go here as well}SubShader{//here goes the 'meat' of your//- sureface shader or//- vertex and program shader or//- fixed function shader}SubShader{//here goes a simpler version of the SubShader//above than can run on older graphics cards}
}

上面代码可以看到，ShaderLab主要由Shader名字，属性和SubShader组成。

抽象语法可以表示成：

Shader "name" {[Properties] Subshaders [Fallback] [CustomEditor]}

Shader “name”{}:

Shader关键字加Shader名称，类似声明类class name{},Shader的名字一般是”xx/xx”,类似命名空间，这样可以避免重名。

Properties

ShaderLab的属性并不是必须的，属性主要用于暴露一些参数显示到材质(Material)球上，可以方便的调整效果，而不必每次都改代码。

属性的格式及支持的类型如下：
- 数字和范围滑条

name(“display name”,Range(min,max))=number

name(“display name”,Float) = number

name(“display name”,Int) = number
- 颜色和向量

name(“display name”,Color) = (number,number,number,number)

name(“display name”,Vector) = (number,number,number,number)
- 贴图

name(“display name”,2D) = “defaulttexture”{}

name(“display name”,Cube)= “defaulttexture”{}

name(“display name”,3D) = “defaulttexture”{}

其中name是属性的名字，在SubShader中会用到，display name是显示在material的inspector中，后面的类型定义，即是类型的修饰，又会在inspector中显示不同的控件（如Range显示滑条，Color显示颜色选择框等），赋值语句之后是默认值。

SubShader

在Unity中每个Shader都由一个或多个subshader组成。语法格式如下：

Subshader{[Tags][CommonState]Passdef[Passdef ..]}
- Tags:主要作用是告诉渲染引擎什么时候渲染和怎么样渲染

具体语法为：Tags{"TagName1" = "Value1" "TabName2"="Value2"}
1. Queue tag: Queue标签决定对象的渲染顺序。有Background（1000）,Geometry（2000）,AlphaTest（2450）,Transparent（3000）,Overlay（4000）等预定义的渲染顺序，也可以自己定义（其实就是数值，数值越大，渲染越靠后）
2. RenderType tag:RenderType tag将shader分类到几个预先定义的组，如不透明shader,alpha test shader等，一般用于Shader替换或产生相机深度纹理.稍后再详细解释。
3. DisableBatching Tag:这个标签主要用于禁用Batching,因为当Draw Call Batching后，所有对象都变换到了世界空间，而失去了模型空间信息，有”True”(禁用)，”False”(不禁用，默认是这个)，”LODFading”(当LOD fading激活，禁用，主要用于树)
4. ForceNoShadowCasting tag:如果为”True”,则使用此subshader渲染将不接收阴影，当在透明对象上使用shader replacement时可以避免从其它的subshader继承阴影。
5. IgnoreProjector Tag:如果为”True”,则物体不受投影影响，主要用于半透明的物体。
6. CanUseSpriteAtlasTag:如果为”False”,则sprite atlas不能使用。
7. PreviewType tag:主要影响material在inspector的显示，默认为球形，可以设置成”Plane”或”Skybox”
- CommonState:主要是设置硬件开关的各种状态。根据渲染管线，设置硬件状态，对渲染的各阶段进行控制。
1. Color,Material,Lighting:

Color color

Material {Material Block}

Lighting On|Off

SeparateSpecular On|Off

ColorMaterial AmbientAndDiffuse|Emission
2. Culling&Depth Testing:

Cull Back|Front|Off

ZWrite On|Off

SetTexture[TextureName]{Texture Block}

SetTexture[_MainTex]{Combine
previous*texture,previous+texture}
4. Fog:

Fog {Fog Commands}

Mode Off|Global|Linear|Exp|Exp2

Color ColorValue

Density FloatValue

Range FloatValue,FloatValue
5. Alpha testing:

AlphaTest Off

AlphaTest comparison AlphaValue
6. Blending:

Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha //Alpha blending

Blend One One //Additive

Blend OneMinusDstColor One//Soft Additive

Blend DstColor Zero//Multiplicative

Blend DstColor SrcColor//2x Multiplicative

- Passdef:定义渲染通道，一个subShader可以有多个pass,由于pass会产生drawcall, 一般都会用一个pass,但有一些效果可能需要多个pass配合实现。分为regular Pass,Use Pass,和Grab Pass
1. Regular Pass:语法
Pass{[Name and Tags][RenderSetup]}
Name就是指定Pass的名字 Tags和SubShader的Tags

RenderSetup是设置显卡状态
2. UsePass:引用其它Shader中的Pass名字
UsePass "Shader/Name"
3. GrabPass:抓取当前屏幕内容绘制到texture中，用于其它的pass,GrabPass{}或GrabPass{"TextureName"}

Fallback

如果没有subShader可以在当前显卡运行，则尝试调用其它shader

Fallback "name"或Fallback Off

CustomEditor

CustomEditor "name"
定义CustomEditor后，Unity会去找类名是CustomeEditor指定的，并继承ShaderGUI的类。如Unity自带的 Standard.shader 就是用了CustomEditor

Shader的三种写法

Unity中Shader分为surface shaders,vertex and fragment shaders或fxied function shaders
- Surface Shader:表面着色器,Unity中推荐使用的一种写法,Unity默认创建的就是Surface Shader，Surface Shader自身会编译为多个通道，不能添加Pass通道。如果需要受到光线和阴影影响，Surface Shader是最好的选择。如果不需对光线处理，不要用这个，因为会生成更多的代码。有点大材小用的感觉。
例子：

Shader "Example/Diffuse Texture"{Properties{_MainTex("Texture",2D) = "white"{}}SubShader{Tags{"RenderType" = "Opaque"}CGPROGRAM#pragma surface surf Lambertstruct Input{float2 uv_MainTex;};sampler2D _MainTex;void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o){o.Albedo = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;}ENDCG}
}

vertex and fragment shader：顶点和片段着色器，功能最强大，最自由的形态，自己编写的代码会多，在Pass里放CGPROGRAM和ENDCG块。
例子：

Shader "Custom/Simple"{Properties{_Color("BaseColor",Color) = (1,1,1,1)_MainTex("Base(RGB)",2D) = "white"{}}SubShader{tags{"Queue" = "Transparent" "RenderType" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True"}Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlphaPass{Name "Simple"Cull offCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"float4 _Color;sampler2D _MainTex;struct v2f{float4 post:POSITION;float4 uv:TEXCOORD0;};v2f vert(appdata_base v){v2f o;o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);o.uv = v.texcoord;return o;}half4 frag(v2f i):COLOR{float2 uv = i.uv.xy;half4 = tex2D(_MainTex.uv)*_Color;return c;}ENDCG}}
}

fixed function shader：固定功能着色器，写法简单，功能少，Unity官方不建议用这个写法。除非是用于比较古老的硬件，其它Shader功能不支持时才考虑用fixed function.例子：

Shader "ShaderLab/TestShader"{Properties{_Color("My Color",Color)= (.34,.85,.92,1)}SubShader{Pass{Material{Diffuse[_Color]Ambient[_Color]}Lighting On}}
}

Shader相关文件（扩展名）：

shader: 着色器的主要文件
cg/cginc: 着色器的公用文件，可以在cg/shader/cginc文件中被”include”(包含)，一般用来写全局方法和全局变量，方便多个shader文件调用。

ShaderLab的一些疑问补充

多个Subshader的情况下，会按顺序优先选择当前第一个可用的Shader.如果都不能用就执行FallBack(如果指定的话)
Subshader中的pass是按顺序依次执行的。多个pass会导致多次drawcall.
CG块中包含的是CG语言，是编写逻辑和效果的地方，CG块可以在SubShader内，也可以在Pass内。当多个Pass的CG块相同则可以提到Subshader中，或surface Shader中CG块也是在SubShader中。
Category:Category解决了当多个SubShader中Tags或Common State相同时，可以提取这些到Category中,例子：
```
Shader "Custom/Test"{Properties{_Color("Main Color",Color) = (1,1,1,1)}Category{Tags{"Queue" = "Transparent"}ZWrite OffBlend SrcAlpha OneMinusSrcAlphaSubShader{...}SubShader{...}}
}
```
总结

本文主要大概总结了一下Unity中的ShaderLab语法，ShaderLab其实主要是提供了一个统一的框架，具体实现主要是用CG语言来写，关于CG语言，以后会写一篇专门针对CG语言的文章