Unity ShaderLab学习总结

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Unity 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？



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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、兼容、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。

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 （Wiki，PowerVR/Mali/Adreno）也是重要的概念。
其大幅减少带宽消耗、会进行Early-Z测试尝试减少Overdraw（依赖于渲染物体提交顺序由前至后）。
其中PowerVR的Hidden Surface Removal做到像素级别的Overdraw减少（不用依赖于渲染物体提交顺序由前至后）。

也不讨论具体的渲染技巧。

参考资源

Youtube：https://www.youtube.com/watch?v=hDJQXzajiPg （包括part1-6）。视频是最佳的入门方式没有之一，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

使用Shader

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如上图，一句话总结：

GameObject里有MeshRenderer，

MeshRenderer里有Material列表，

每个Material里有且只有一个Shader；

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.x\CommonX\IDE\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 "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
// ...
}

2014-0720-1707-17-42.png

Shader的名字会直接决定shader在material里出现的路径

SubShader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
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是为了针对不同的渲染情况而编写的。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。
一个时刻只会选取一个SubShader进行渲染，具体SubShader的选取规则包括：

从上到下选取

SubShader的标签、Pass的标签

是否符合当前的“Unity渲染路径”

是否符合当前的ReplacementTag

SubShader是否和当前的GPU兼容

等

按此规则第一个被选取的SubShader将会用于渲染，未被选取的SubShader在这次渲染将被忽略。

SubShader的Tag

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
SubShader
{
Tags { "Queue"="Geometry+10" "RenderType"="Opaque" }
//...
}
}

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。

"RenderType"

标签。Unity可以运行时替换符合特定RenderType的所有Shader。

Camera.RenderWithShader

或

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；

用户也可以定义任意自己的

RenderType

这个标签所取的值。

应注意，

Camera.RenderWithShader

或

Camera.SetReplacementShader

不要求标签只能是

RenderType

，

RenderType

只是Unity内部用于Replace的一个标签而已，你也可以自定义自己全新的标签用于Replace。
比如，你为自己的ShaderA.SubShaderA1（会被Unity选取到的SubShader，常为Shader文件中的第一个SubShader）增加Tag为

"Distort"="On"

，然后将

"Distort"

作为参数

replacementTag

传给函数。此时，作为

replacementShader

实参的ShaderB.SubShaderB1中若有也有一模一样的

"Distort"="On"

，则此SubShaderB1将代替SubShaderA1用于本次渲染。

具体可参考Rendering with Replaced Shaders

"Queue"

标签。定义渲染顺序。预制的值为

"Background"

。值为1000。比如用于天空盒。

"Geometry"

。值为2000。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"

。值为2450。已进行AlphaTest的物体在这个队列。

"Transparent"

。值为3000。透明物体。

"Overlay"

。值为4000。比如镜头光晕。

用户可以定义任意值，比如

"Queue"="Geometry+10"

"ForceNoShadowCasting"

，值为

"true"

时，表示不接受阴影。

"IgnoreProjector"

，值为

"true"

时，表示不接受Projector组件的投影。

另，关于渲染队列和Batch的非官方经验总结是，一帧的渲染队列的生成，依次决定于每个渲染物体的：

Shader的RenderType tag,

Renderer.SortingLayerID,

Renderer.SortingOrder,

Material.renderQueue（默认值为Shader里的"Queue"）,

Transform.z(ViewSpace)（默认为按z值从前到后，但当Queue是“Transparent”的时候，按z值从后到前）。

这个渲染队列决定了之后（可能有dirty flag的机制？）渲染器再依次遍历这个渲染队列，“同一种”材质的渲染物体合到一个Batch里。

Pass

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
SubShader {
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

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
SubShader {
Pass
{
Tags{ "LightMode"="ForwardBase" }
//...
}
}
}

和SubShader有自己专属的Tag类似，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。除最重要的

ForwardBase

、

ForwardAdd

外，这里需额外提醒的Tag取值可包括：

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取值，可参考ShaderLab syntax: Pass Tags。

FallBack

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{
SubShader { Pass {} }

FallBack "Diffuse" // "Diffuse"即Unity预制的固有Shader
// FallBack Off //将关闭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。

Properties

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
Properties {
_Range ("My Range", Range (0.02,0.15)) = 0.07 // sliders
_Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color
_2D ("My Texture 2D", 2D) = "" {} // textures
_Rect("My Rectangle", Rect) = "name" { }
_Cube ("My Cubemap", Cube) = "name" { }
_Float ("My Float", Float) = 1
_Vector ("My Vector", Vector) = (1,2,3,4)

// Display as a toggle.
[Toggle] _Invert ("Invert color?", Float) = 0
// Blend mode values
[Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)] _Blend ("Blend mode", Float) = 1
//setup corresponding shader keywords.
[KeywordEnum(Off, On)] _UseSpecular ("Use Specular",  Float) = 0
}

// Shader
SubShader{
Pass{
//...
uniform float4 _Color;
//...
float4 frag() : COLOR{ return fixed4(_Color); }
//...
#pragma multi_compile __ _USESPECULAR_ON
}
}

//fixed pipeline
SubShader    {
Pass{
Color[_Color]
}
}
}

Shader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。

在每一个Property前面也能类似C#那样添加Attribute，以达到额外UI面板功能。详见MaterialPropertyDrawer.html。

Shader中的数据类型

有3种基本数值类型：

float

、

half

和

fixed

。
这3种基本数值类型可以再组成vector和matrix，比如

half3

是由3个

half

组成、

float4x4

是由16个

float

组成。

float

：32位高精度浮点数。

half

：16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

：11位低精度浮点数。范围是[-2, 2]，精度是1/256。

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

。

ShaderLab中的Matrix

当提到“Row-Major”、“Column-Major”，根据不同的场合，它们可能指不同的意思：

数学上的，主要是指矢量V是Row Vector、还是Column Vector。引用自[Game Engine Architecture 2nd Edition, 183]。留意到V和M的乘法，当是Row Vector的时候，数学上写作VM，Matrix在右边，Matrix的最下面一行表示Translate；当是Column Vector的时候，数学上写作MtVt，Matrix在左边并且需要转置，Matrix最右面一列表示Translate。

访问接口上的：Row-Major即MyMatrix[Row][Column]、Column-Major即MyMatrix[Column][Row]。HLSL/CG的访问接口都是Row-Major，比如MyMatrix[3]返回的是第3行；GLSL的访问接口是Column-Major，比如MyMatrix[3]返回的是第3列。

寄存器存储上的：每个元素是按行存储在寄存器中、还是按列存储在寄存器中。需要关注它的一般情况举例是，float2x3的MyMatrix，到底是占用2个寄存器（Row-Major）、还是3个寄存器（Column-Major）。在HLSL里，可以通过#pragmapack_matrix设定row_major或者column_major。

上述情况，互不相干。
然后，ShaderLab中，数学上是Column Vector、访问接口上是Row-Major、存储上是（尚未查明）。另外，ShaderLab在World Space是左手坐标系、View Space是右手坐标系、在Normalized Device Coordinates里是左手坐标系。

v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
// 1 、2、3是等价的，和4是不等价的
// 因为是M在左、V在右，所以是Column Vector
// 因为是HLSL/CG语言，所以是访问方式是Row-Major
o.rootInView = mul(UNITY_MATRIX_MV, float4(0, 0, 0, 1)); // 1
o.rootInView = float4(UNITY_MATRIX_MV[0].w, UNITY_MATRIX_MV[1].w, UNITY_MATRIX_MV[2].w, 1); // 2
o.rootInView = UNITY_MATRIX_MV._m03_m13_m23_m33;  // 3
//o.rootInView = UNITY_MATRIX_MV[3]; // 4

return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
// 因为是ViewSpace是右手坐标系，所以当root在view前面的时候，z是负数，所以需要-z才能正确显示颜色
fixed4 col = fixed4(i.rootInView.x, i.rootInView.y, -i.rootInView.z, 1);
return col;
}

struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
};
struct v2f
{
float4 rootInView : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
};

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 "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
Properties {
_Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color
}

// Fixed Pipeline
SubShader
{
Pass
{
Material{
Diffuse [_Color]
Ambient [_Color]
}

Lighting On
}
}
}

Shader形态之2：可编程Shader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
Properties {}

SubShader
{
Pass
{
// ... the usual pass state setup ...

CGPROGRAM
// compilation directives for this snippet, e.g.:
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

// the Cg/HLSL code itself
float4 vert(float4 v:POSITION) : SV_POSITION{
return mul(UNITY_MATRIX_MVP, v);
}
float4 frag() : COLOR{
return fixed4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
ENDCG
// ... the rest of pass setup ...
}
}
}

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 d3d11 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内置值。Unity给Shader程序提供了便捷的、常用的值，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

。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_base	vertex shader input with position, normal, one texture coordinate.
appdata_tan	vertex shader input with position, normal, tangent, one texture coordinate.
appdata_full	vertex shader input with position, normal, tangent, vertex color and two texture coordinates.
appdata_img	vertex shader input with position and one texture coordinate.

Shader形态之3：SurfaceShader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
Properties {   }

// Surface Shader
SubShader {
Tags { "RenderType" = "Opaque" }
CGPROGRAM
#pragma surface surf Lambert
struct Input {
float4 color : COLOR;
};
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
o.Albedo = 1;
}
ENDCG
}
FallBack "Diffuse"
}

SurfaceShader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

struct SurfaceOutput {
half3 Albedo; // 纹理颜色值（r, g, b)
half3 Normal; // 法向量(x, y, z)
half3 Emission; // 自发光颜色值(r, g, b)
half Specular; // 镜面反射度
half Gloss; // 光泽度
half Alpha; // 不透明度
};

Shader形态之4：Compiled Shader

点击

a.shader

文件的“Compile and show code”，可以看到该文件的“编译”过后的ShaderLab shader文件，文件名形如

Compiled-a.shader

。
其依然是ShaderLab文件，其包含最终提交给GPU的shader代码字符串。
先就其结构进行简述如下，会发现和上述的编译前ShaderLab结构很相似。

// Compiled shader for iPhone, iPod Touch and iPad, uncompressed size: 36.5KB
// Skipping shader variants that would not be included into build of current scene.
Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
Properties {...}
SubShader {
// Stats for Vertex shader:
//        gles : 14 avg math (11..19), 1 avg texture (1..2)
//       metal : 14 avg math (11..17)
// Stats for Fragment shader:
//       metal : 14 avg math (11..19), 1 avg texture (1..2)
Pass {
Program "vp" // vertex program
{
SubProgram "gles" {
// Stats: 11 math, 1 textures
Keywords{...} // keywords for shader variants ("uber shader")

//shader codes in string
"
#ifdef VERTEX
vertex shader codes
#endif

// Note, on gles, fragment shader stays here inside Program "vp"
#ifdef FRAGMENT
fragment shader codes
#endif
"
}

SubProgram "metal"  {
some setup
Keywords{...}

//vertex shader codes in string
"..."
}
}

Program "fp" // fragment program
{
SubProgram "gles" {
Keywords{...}
"// shader disassembly not supported on gles" //(because gles fragment shader codes are in Program "vp")
}

SubProgram "metal" {
common setup
Keywords{...}

//fragment shader codes in string
"..."
}
}
}
}

...
}

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ARGB32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ARGB32的光照信息纹理上（RGB表示diffuse颜色值、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：



2014-0720-1607-31-40.png

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。

文／DonaldW（简书作者）
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