Unity3D学习笔记3——Unity Shader的初步使用
1. 概述
在上一篇文章《Unity3D学习笔记2——绘制一个带纹理的面》中介绍了如何绘制一个带纹理材质的面，并且通过调整光照，使得材质生效（变亮）。不过，上篇文章隐藏了一个很重要的细节——Unity Shader。Shader(着色器)是渲染管线中可被用户编程的阶段，依靠着色器可以控制渲染管线的细节。现代图像渲染技术，都把Shader封装成与Material(材质)相关的组件。所以这篇文章，我们就初步学习下在Unity中使用Shader。
2. 详论
2.1. 创建材质
在上一章中，材质、以及材质相关的资源是在Unity3D编辑器中创建，在C#脚本中直接引用的。这里为了学习使用Shader，我们使用自定义的Shader，可以在C#脚本中创建材质。修改上一章代码的材质部分：
Shader shader = Shader.Find("Custom/MainShader");
Material material = new Material(shader);
Texture2D texture = Resources.Load<Texture2D>("ImageDemo");
material.mainTexture = texture;
MeshRenderer meshRenderer = newGameObject.AddComponent<MeshRenderer>();
meshRenderer.material = material;
可以看到，要创建一个Material，首先得创建一个Shader。我们在Project视图中右键菜单->Create->Standard Surface Shader，创建一个标准表面着色器MainShader：
双击打开这个Shader，可以看到这个Shader的具体内容。标准着色器很复杂，我们清空里面的内容，填入我们这个更简单的着色器示例：
Shader "Custom/MainShader"
{
Properties
{
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
}
SubShader
{
Tags{"Queue" = "Geometry"}
Cull Back
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
sampler2D _MainTex;
//顶点着色器输入
struct a2v
{
float4 position : POSITION;
float3 normal: NORMAL;
float2 texcoord : TEXCOORD0;
};
//顶点着色器输出
struct v2f
{
float4 position: SV_POSITION;
float2 texcoord: TEXCOORD0;
};
v2f vert(a2v v)
{
v2f o;
o.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.position);
o.texcoord = v.texcoord;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
return tex2D(_MainTex, i.texcoord);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}
2.2. 着色器
Unity使用的着色器语言叫做ShaderLab，它是图形渲染中Shader（例如GLSL，HLSL以及CG）的更高级更抽象一级的封装。ShaderLab是个非常简单的说明性描述语言，通过嵌套在花括号中的语义来描述Unity Shader文件。
2.2.1. 名称
通过Shader语义指定Unity Shader的名称：
Shader "Custom/MainShader"
{
}
这个名称非常重要，在Unity编辑器中需要通过这个名字来引用Shader。
2.2.2. 属性
Shader语义块的第一个语义块是Properties语义块，它连接着材质和Unity3d编辑器，设置了这个属性就能够通过材质面板调整材质，调整材质的本质就是调整Shader。Properties的定义通常描述如下：
Properties {
Name ("display name"，PropertyType) = DefaultValue
}
Name指的是在Shader中使用的名称，display name指的是显示在材质面板的名称。PropertyType则有点容易混淆，它指的是显示在材质面板中的属性类型，借用一下《Unity Shader入门精要》的图表：
2.2.3. SubShader
每个Unity Shader都至少包含一个SubShader语义块，Unity会优先选择第一个能够在当前平台下运行的SubShader作为最终渲染效果的Shader。
这个语义块下面又会包含三个语义块：
2.2.3.1. 标签(Tags)
SubShader的标签用于用于标识何时以何种方式被渲染到渲染引擎，它由一系列键值对组成。Queue是最常用的标签，用于标识渲染物体在渲染队列中的位置：
我们这里，把这个渲染物体放到Geometry队列中，这个位置通常放置不透明物体的渲染：
Tags{"Queue" = "Geometry"}
2.2.3.2. 渲染状态(RenderSetup)
渲染状态用于设置图形硬件的各种状态，例如是否应开启 Alpha 混合或是否应使用深度测试等。在像OpenGL这样的图形接口中，通常是以函数的形式进行调用的，Unity3d将其放在Shader里面，也有一定的道理。
这里的渲染状态设置成将背面裁剪掉：
Cull Back
2.2.3.3. 通道(Pass)
在Pass语义块中，才是像OpenGL/DirectX中使用的Shader。OpenGL使用的着色器语言叫做GLSL，DirectX使用的着色器语言叫做HLSL，Unity3D则推荐使用Cg语言，这是一种类C语言，与HLSL非常相似。Cg语言代码段在Pass语义块中被包裹在CGPROGRAM和ENDCG之间：
CGPROGRAM
//...
ENDCG
2.2.4. 回退(FallBack)
FallBack定义了一种退化策略，由于不同机器支持的性能特性不同，如果之前的子着色器都不生效，那么就使用这个着色器，通常这个着色器是内置的：
FallBack "Diffuse"
2.3. 渲染管线
图形渲染引擎的渲染管线其实是个内涵非常丰富的概念，再次借用《Unity Shader入门精要》的插图，渲染管线的描述大致如下：
当然只看这个图是不够的，但是我们可以直接从代码层面去了解它。镶嵌在CGPROGRAM和ENDCG之间的CG代码，体现的正是渲染管线的思维。
首先，通过编译指令，分别指定顶点着色器程序和片元着色器程序：
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
vert就是顶点着色器的函数，在这个着色器程序中指定了计算了顶点坐标和纹理坐标：
v2f vert(a2v v)
{
v2f o;
o.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.position);
o.texcoord = v.texcoord;
return o;
}
传入参数是一个结构体，POSITION，NORMAL，TEXCOORD0是Unity Shader中固定的语义，分别代表这位置、法向量以及纹理坐标，他们也被称为顶点属性。还记得在上一篇文章《Unity3D学习笔记2——绘制一个带纹理的面》中创建Mesh时给Mesh创建的成员变量vertices、uv和normals吧？给他们传入的数据正是在这里用到了。
//顶点着色器输入
struct a2v
{
float4 position : POSITION;
float3 normal: NORMAL;
float2 texcoord : TEXCOORD0;
};
传出参数则是另外一个结构体：
//顶点着色器输出
struct v2f
{
float4 position: SV_POSITION;
float2 texcoord: TEXCOORD0;
};
SV_POSITION表示的是裁剪空间坐标，也就是在顶点着色器中计算的顶点值。这个计算内容的内涵也挺丰富的，简单来说，创建Mesh时的顶点坐标，经过一个模型变换（Model）、视图变换（View）、投影变换（Projection），最终变成了裁剪空间坐标系中的坐标，体现在着色器中，就是内置的MVP矩阵UNITY_MATRIX_MVP。
剩下的就是片元着色器函数的部分了。在这个着色器中，_MainTex也就是我们先前创建的，并且传递到材质中的纹理，通过将顶点着色器中传递过来的纹理坐标进行采样，得到具体的片元颜色：
sampler2D _MainTex;
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
return tex2D(_MainTex, i.texcoord);
}
最终显示的效果如下：
可以看到这里显示的就是图片本身的颜色，这是因为在着色器中只是采样了图片的颜色，并没有光照计算的参与。也就是在图形引擎中，任何效果的设置只是表象，任何效果的实现都会归结到着色器中。