ShaderLab

什么是ShaderLab

学习和编写着色器的过程 一直是一个学习曲线很陡峭的过程，通常情况下为了自定义渲染效果 往往需要和很多文件和设置打交道。而且一些细节问题往往也需要开发者花费很多时间去解决。

Unity为了解决上述问题，提供了一层抽象——Unity Shader，而我们和这层抽象打交道的途径 就是使用Unity提供的一种专门为Unity shader服务的语言——Shader Lab

在Unity中所有的Unity Shader都是使用ShaderLab编写的。ShaderLab是Unity提供的编写Unity Shader的一种说明性语言。

它使用了一些嵌套在花括号内部的语义 来描述一个Unity shader文件的结构。

这些结构包含了许多渲染所需的数据

例如Properties语句块中定义了着色器所需的各种属性，这些属性会显示在材质面板上。

一个Unity Shader的结构如下所示

Shader "ShaderName"{
	Properties{
	//属性
	}
	SubShader{
	//显卡A使用的子着色器
	}
	SubShader{
	//显卡B使用的子着色器
	}
	Fallback "VertexLit"
}

Unity在背后会根据使用的平台 把这些结构编译成真正的代码和Shader文件，而开发者只需要和Unity shader打交道即可。

Unity shader的结构

给Shader起个名字

每个Unity Shader文件的第一行都要通过Shader语义来指定该Shader的名字，例如"MyShader"

当为材质选择使用的Unity Shader时 这些名字就会出现在材质面板的下拉列表里

通过在字符串中添加斜杠 可以控制Unity Shader在材质面板中出现的位置 例如：

shader "Custom/MyShader"{}

Properties

Properties语义块中 包含了一系列属性

这些属性将会出现在材质面板中

Properties{
	Name {"display name", PropertyType} = DefaultValue
	Name {"display name", PropertyType} = DefaultValue
	//更多属性
}

Properties是为了在材质面板中能够方便的调整材质的属性

如果我们需要在Shader中访问他们，就需要使用每个属性的名字（name）

在Unity中 属性的名字通常由一个下划线开始

显示名称（Display Name）则是出现在材质面板上的名字，

我们还需要为每个属性指定他的类型（PropertyType）

除此之外 还需要为每个属性指定一个默认值，在第一次把Shader赋给某个材质时 材质面板上就会默认显示这些值

Properties支持的属性类型

对于Int、Float、Range这些数字类型的属性 默认值就是一个单独的数字

对于Color和Vector这类似属性 默认值就是用圆括号包围一个四维向量

对于2D、Cube、3D这三种纹理属性，默认值稍复杂一些 他的默认值通过一个字符串后跟一个花括号

其中字符串要么是空的 要么是内置的纹理名称（white、black、gray、bump等）

花括号的用处原本是用来指定一些纹理属性的 但在Unity5.0之后的版本 被移除了

Shader "Custom/ShaderLabProperties"{
    Properties{
        _Int("Int",Int)=2
        _Float("Float",Float)=1.5
        _Range("Range",Range(0.0,5.0))=3.0
        _Color("Color",Color) = (1,1,1,1)
        _Vector("Vector",Vector)=(2,3,1,3)
        _2D("2D",2D)=""{}
        _Cube("Cube",Cube)="white"{}
        _3D("3D",3D)="black"{}
        //更多属性
    }
    Fallback "Diffuse"
}

有时我们想要在材质面板上显示更多类型 例如使用bool变量来控制Shader中使用那种计算

Unity还允许我们重载默认的材质编辑面板 以提供更多的自定义数据类型

为了在Shader中可以访问到这些属性，我们需要在Cg代码中定义和这些属性类型相匹配的变量

另外 即使我们不再Properties中定义这些属性，也可以直接在Cg代码中定义变量，此时我们可以通过脚本向Shader中传递这些属性

因此Properties的作用仅是为了让这些属性可以出现在材质面板中

SubShader

每一个Unity Shader文件可以包含多个SubShader语句块

当Unity需要加载这个shader时 Unity会扫描叫所有的SubShader语句块，然后选择第一个能够再目标平台上运行的SubShader

如果都不支持的话，Unity会使用Fallback指定的Shader

Unity提供这种语义的原因在于，不同的显卡具有不同的能力，

例如一些旧的显卡只能支持一定数目的操作指令，而一些更高级的显卡可以支持更多的指令数，那么我们希望再旧的显卡上使用计算复杂度较低的着色器，在高级的显卡上使用计算复杂度较高的着色器，一边提供更出色的画面。

SubShader{
 //可选的
 [Tags]
 //可选的
 [RenderSetup]
 Pass{
 
 }
 //Other Passes
}

SubShader中定义了一系列Pass以及可选的状态（ [RenderSetup]）和标签（ [Tags]）设置。

每个Pass定义了一次完整的渲染流程，但如果Pss的数目过多，往往会造成渲染性能的下降。

因此我们应尽量使用最小数目的Pass。

状态和标签同样可以在Pass中声明，

不同的是，SubShader中的一些标签是特定的。

也就是说，这些标签设置和Pass中使用的标签是不一样的。而对于状态设置来说 其使用的语法是相同的。

但如果我们在SubShader中进行了这些设置，那么将会用于所有的Pass

SubShader设置渲染状态

ShaderLab提供了一系列渲染状态的设置指令，这些指令可以设置显卡的各种状态，例如是否开启混合、深度测试等

常见的渲染状态设置选项

当在SubShader块中设置上述渲染状态时，会应用到所有的Pass

如果不想这样，可以在Pass中进行设置

SubShader设置标签

Subshader的标签(Tags)是一个键值对，他的键和值都是字符串类型。

这些键值对是SubShader和渲染引擎之间的沟通桥梁，

他们用于告诉引擎 我希望怎样以及何时渲染这个对象

标签的结构如下

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

SubShader支持的标签类型

需要注意的是上述标签仅可以在SubShader中声明 不可以在Pass中声明。

Pass块也可以定义标签，但这些标签是不同于SubShader的标签类型

Pass

Pass语义块包含的语义如下

Pass{
    [Name]
    [Tags]
    [RenderSetup]
    //Other Code
}

首先我们可以在Pss中定义该Pass的名称

Name "MyPass"

通过这个名称，我们可以使用ShaderLab的UsePass命令来直接使用其他Unity Shader中的Pass 例如

UsePass "MyShader/MYPASS"

这可以提高代码复用性

需要注意的是 Unity内部会把所有Pass的名称转成大写字母

因此，在使用UsePass命令时必须使用大写字母的名字

Pass设置渲染状态

我们可以对Pss设置渲染状态，SubShader的状态设置 同样适用于Pass

除了可以设置渲染状态以外，我们还可以使用固定管线的着色器

Pass设置标签

Pass同样可以设置标签，但他的标签不同于SubShader的标签，这些标签也是用于告诉渲染引擎我们希望如何渲染物体

Pass的标签类型

特殊的Pass

除了上面普通的Pass定义外，Unity Shader还支持一些特殊的Pass,以便进行代码复用或实现更复杂的效果

• UsePass 可以使用该命令复用其他Untiy Shader中的PAss
• GrabPass 该Pass负责抓取屏幕 并将结果存储在一张纹理中，一边用于后续的Pass处理

FallBack

他用于告诉Unity，如果上面的SubShader在这快显卡上都不能运行，那么就使用这个最低级的Shader把

Fallback "ShaderName"
//或者
Fallback off

如上所属 我们通过一个字符串告诉Unity这个”最低级的Unity shader“是谁

我们也可以选择关闭Fallback功能，如果显卡跑不了所有的SubShader 那就不管他了

事实上Fallback还会影响 阴影的投射 在渲染阴影纹理时，Unity会在每个Unity shader中寻找一个阴影投射的Pass

通常情况下 我们不需要自己专门实现一个Pass

因为Fallback使用的内置shader中包含了这样一个通用的Pass，

因此 为每个Unity shader正确设置Fallback是非常重要的

Fallback "VertexLit"

其他语义

除了上述的语义，还有一些不常用的。

例如，如果我们不满足于Unity内置的属性类型，想要自定义材质面板的编辑界面，就可以使用CustomEditor语义来扩展编辑界面。

还可以使用Category语义来对Unity Shader中的命令进行分组等。

Unity Shader的形式

尽管Unity Shader可以做的事情非常多，但其最重要的任务还是指定各种着色器所需的代码。

这些着色器代码可以写在SubShader中（表面着色器的做法），也可以写在Pass语句块中（顶点、片元着色器的做法）

在Unity中 我们可以使用下面3中形式来编写Shader

Shader "MyShader"{
    Properties{
        //所需的各种属性
    }
    SubShader{
        //真正意义上的Shader代码会出现在这里
        //表面、顶点、片元、固定函数着色器
    }
}

表面着色器

表面着色器是Unity自己创造的一种着色器代码类型

他需要的代码量很少，Unity在背后做了很多工作，但渲染代价比较大。

他本质上和顶点、片元着色器是一样的

也就是说 当编写一个表面着色器的时候，他背后仍旧把他转换成 顶点、片元着色器

我们可以理解为 表面着色器是对顶点、片元着色器更高一层的抽象

他的价值在于，Unity为我们从护理了很多光照细节，使得我们不再需要操心这些

Shader "Custom/Simple 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"
}

从上述程序中可以看出

表面着色器被定义在SubShader语义块（而非Pass语义块）中CGPROGRAM和ENDCG之间

原因是 表面着色器 不需要开发者关心使用多少个Pass、每个Pass如何渲染等问题

Unity会在背后为我们做好这些事情。

我们只需要告诉他“嘿，使用这些纹理去填充颜色，使用这个法线纹理去填充法线，使用Lambert光照模型”

CGPROGRAM和ENDCG之间的代码是使用Cg/HLSL 编写的

也就是说 我们需要把Cg/HLSL语言嵌套在ShaderLab语言中

值得注意的是 这里的Cg/HLSL 是经过Unity封装后提供的

他的语法和标准的Cg/HLSL几乎一样，但还是有细微不同，

例如有些原生的函数和用法 Unity 没有提供支持

顶点/片元着色器

在Unity中我们可以使用Cg/HLSL语言来编写 顶点/片元着色器

他们更加复杂，但灵活度更高。

一个简单的示例如下

Shader "Custom/Simple Surface Shader"{
    SubShader{
        Pass{
            CGPROGRAM
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            float4 vert(float4 v : POSITION) : SV_POSITION{
                return mul(UNITY_MATRIX_MVP, v);
            }
            
            fixed4 frag() : SV_Target{
                return fixed(1.0,0.0,0.0,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

和表面着色器类似，顶点、片元着色器的代码也需要定义在CGPROGRAM和ENDCG之间，

但不同的是，顶点、片元着色器是写在Pass语义块内，而非SubShader内的。

原因是我们需要自己定义每个Pass需要使用的Shader代码。

虽然我们可能需要编写更多的代码，但带来的好处是 灵活性更高。

更重要的是，我们可以控制渲染的实现细节，

固定函数着色器

上面两种Shader形式都使用了可编程渲染管线，而对于一些比较旧的设备（其GPU仅支持DirectX7.0、OpenGL1.5或者OpenGL ES 1.1），他们不支持可编程管线着色器。因此我们就需要使用固定函数着色器，这些着色器往往值可以完成一些非常简单的效果

Shader "MyShader"{
    Properties{
        _Color("Main Color",Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader{
        Pass{
            Material{
                Diffuse[_Color]
            }
            Lighting On
        }
    }
}

固定函数定义在Pass语义块中，这些代码相当于Pass中的一些渲染设置

对于固定函数着色器来说，我们需要完全使用ShaderLab的语法（既使用ShaderLab的渲染命令来编写）

由于现在绝大多数的GPU都支持可编程的渲染管线，这种固定管线的编程方式已经被抛弃

在Unity5.2中 所有的固定函数着色器 都会被编译成对应的 顶点/片元着色器

因此真正意义上的固定函数着色器已经不存在了

来源作者：《UnityShader入门精要》冯乐乐