一.什么是Shader

Shader(著色器)，是在GPU運行的程序，通過數學計算將各種屬性（顏色，光照，陰影，紋理等）渲染成物體表面可見的狀態(tài)。在shader里我們可以自定義顯卡渲染畫面的算法，使畫面達到我們想要的效果（放兩張圖）。

二.Shader語言

Shader是GPU運行的程序，目前實現Shader?的語言主要有三種：

基于OpenGL的OpenGL Shader Language,簡稱GLSL。

基于DirectX的High?Level Shader Language,簡稱HLSL。

還有NVIDIA公司的高級圖形編程語言C?for?Graphic，簡稱CG。

三.Shader分類

頂點 shader：3D圖形由一個個三角面組成，頂點shader就是處理這些三角面上的頂點，做頂點變換，傳遞數據到fragment shader。

片元 shader：渲染實現的核心，以片元為單位，計算光照,陰影，著色等一序列渲染算法。

在DX中頂點shader叫做Vertex Shader，片元shader叫做Pixel Shader；在Opengl中頂點shader也叫Vertex Shader，但片元shader叫做Fragment Shader。

四.Unity Shader

圖形API有Opengl，Vulkan，Metal，DX等，顯卡有Intel，NVIDIA，ATI，Amd等 ，Shader編程語言有GLSL，HLSL，Cg等。

Unity為了跨平臺，封裝了一下圖形，顯卡，Shader的差異性，開發(fā)了一種便于書寫的Shader，又稱為ShaderLab。

Unity Shader有三種不同寫法：

Surface Shader表面著色器；Vertext/Fragment Shader ?頂點/片段著色器；

Fixed Function Shader固定管線著色器（已廢棄）。

Surface Shader是Unity對Vertex/Fragment Shader的又一層封裝，簡化開發(fā)邏輯，用少量的代碼來完成不同的光照計算以及跨平臺邏輯。但Surface Shader的局限性也很明顯，Vertex/Fragment Shader能實現的功能，Surface Shader不一定能實現，Vertex/Fragment Shader針對細節(jié)上更細膩的處理，比較底層，也符合標準shader的寫法。并且Unity2018推出的Shader Graph，生成的代碼也是Vertex/Fragment Shader形式，所以我覺得Vertex/Fragment Shader是Unity Shader最主流的寫法，本節(jié)重點介紹Vertex/Fragment Shader的開發(fā)過程。

五.Unity Shader結構

Unity?Vertex/Fragment Shader的標準結構如下圖所示

結構可拆分為以下幾個部分：Shader ?“name”;Properties;SubShader;FallBack

Shader "name"

Shader是一個關鍵字，后面"name"的內容表示具體路徑和名稱

Properties 屬性

材質球Inspector面板上需要顯示的參數，紋理等都是在Properties中進行定義設置。如果不需要顯示參數可以將Properties{}全部去掉，Properties是個可選項，盡管Properties{}刪除了但是不影響C#對shader的參數傳遞。

SubShaders?

Unity Shader是由一個或者多個SubShader組成的，當渲染模型時，會在Unity Shader中尋找在當前顯卡上運行效果最好的SubShader來使用，例如做了一個效果很好的Shader，但是只能在高配顯卡上才能有較好的渲染表現，中低端機上渲染比較吃力，這時我們可以在Shader內做三個SubShader，分別對應于高，中，低不同的顯卡配置。

SubShaders架構細分包括Tags，渲染設置項，一個或多個Pass。

Tags用來控制引擎如何以及何時被渲染，Unity預定義Tag有以下幾種：

RenderType Tag；Quene Tag；DisableBatching Tag；ForceNoShadowCasting Tag；IgnoreProjector Tag；?CanUseSpriteAtlas Tag；PreviewType Tag

RenderType Tag

RenderType標簽將shader分類為若干個預定以組，Unity可以在運行時替換符合特定RenerType的所有shader。這個功能主要通過Camera.RenderWithShader或Camera.SetReplacementShader函數實現，這兩個函數都以1個shader和1個replacementTag作為參數，shader是給定的替換著色器，replacementTag是被替換著色器的標簽值。

Quene Tag

Quene 標簽用來確定對象的繪制順序。在shader中決定其渲染對象屬于哪個渲染隊列，提高渲染效率，保證渲染正確性。

在Unity中有5個預定以的渲染隊列，分別如下表示：

Unity在內部使用一些整數索引來表示每個渲染隊列，索引號越小越早被渲染，遵循3D渲染的基本規(guī)則：

1.先渲染不透明物體，把不透明物體按與攝像機距離的遠近進行排序，從前往后渲染，并開啟深度測試和深度寫入。

2.半透明物體按與攝像機距離的遠近進行排序，然后從后往前渲染，并開啟深度測試，關閉深度寫入。

DisableBatching Tag

禁用批處理，有三個標簽設置值： True，False(默認值)，LODFading(當LOD衰減活動時禁用批處理)

ForceNoShadowCasting Tag

強制沒有陰影投射，有兩個標簽設置值：True，False(默認值)?

IgnoreProjector Tag

忽略投影機，有兩個標簽設置值：True，False(默認值)?

CanUseSpriteAtlas Tag

是否可以使用Sprite圖集，有兩個標簽設置值：True，False(默認值)?

PreviewType Tag

在inspector面板視圖下材質球的預覽樣式，有三個標簽值：

Spheres(默認值，材質顯示為球體)，Plane(材質顯示為平面)，Skybox(材質顯示為天空球)

渲染狀態(tài)（可寫Pass外，也可寫Pass內）

culling階段

Cull控制渲染的哪一面被剔除，有三個不同設置：Back(默認，剔除渲染模型的背面)，Front（剔除渲染模型的正面），Off（背面和正面都渲染）

深度測試階段

ZWrite

控制是否寫入深度緩沖，有兩個不同設置：On（默認，寫入深度緩沖），Off(不寫入深度緩沖)

ZTest 控制深度測試邏輯，有以下幾個不同設置：

Greater , GEqual , Less , LEqual(默認值) , Equal , NotEqual , Always , Off。ZTest Off 等同于 ZTest Always

Blending階段

渲染圖形時，在片元通過深度測試和模版測試后，像素將寫入到屏幕。這些像素與已有像素的混合合方式由 Blend 命令控制，Blending主要用于生成透明對象。Blend有幾個以下不同設置：

Blend Off：默認值，關閉混合：

Blend SrcFactor DstFactor: 生成顏色乘以SrcFactor，緩沖區(qū)中的顏色乘以DstFactor，然后將這個值相加

Blend SrcFactor DstFactor, SrcFactorA DstFactorA：功能同上，SrcFactor DstFactor控制RGB混合系數，SrcFactorA DstFactorA控制Alpha（A）通道的混合系數。

BlendOp Op：執(zhí)行不同的混合操作，Op為不同的混合運算，

Op運算語法有以下5個：

Add（默認值，將源顏色和目標顏色相加），Sub（將源顏色減去目標顏色色），RevSub(將目標顏色減去源顏色)，Min（源顏色和目標顏色取小值），Max（源顏色和目標顏色取大值）

BlendOp?OpColor, OpAlpha：功能同上。

Unity內部自定義了一些常見的混合類型：

Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha （傳統(tǒng)透明度）；

Blend One OneMinusSrcAlpha （預乘透明度）；

Blend One One （ 加法）；

Blend OneMinusDstColor One （ 軟加法）；

Blend DstColor Zero （乘法）；

Blend DstColor SrcColor （ 2x 乘法）

對應的系數說明如下：

Stencil測試階段：

如果開啟模版測試，GPU會首先讀取模版緩沖區(qū)里該片元位置的模版值，然后將該值和讀取到的參考值進行比較，若沒有通過測試，該片元就會被舍棄掉，但不管片元有沒有通過測試，我們都可以根據模版測試的結果來修改模版緩沖區(qū)，常用的模版緩沖配置如下：

其Comparison Function如下：

Stencil Operation如下

Pass

pass是Unity Shader中最重要的組成部分，包含渲染的核心——著色器。

pass的結構包含以下：

? ?Name "name": 定義Pass名稱（可選項），便于以后在其他SubShader當中復用該Pass。

? ?Tags：同SubShader Tag；但有些Unity內置的Tag不能放在SubShader里，只能放在Pass內才能生效，比如：

? ? LightMode，PassFlags，RequireOptions。

? ? LightMode：支持以下幾種Tag設置

? ? ?Always（總是渲染，不處理光照）；

? ? ?ForwardBase（在前向渲染管線中使用，處理環(huán)境光，直射光，頂點光照）

? ? ?ForwardAdd(在前向渲染管線中使用，處理像素光源)

? ? ?Deferred(在延遲渲染管線中使用，G—Buffer渲染)

?渲染狀態(tài)：同SubShader 渲染狀態(tài)。

頂點/片元著色器

用“CGPROGRAM和ENDCG或者HLSLPROGRAM和ENDHLSL”指令包圍的代碼即頂點著色器和片元著色器，代碼結構如下

#pragma vertex聲明頂點著色器函數

#pragma fragment聲明片元著色器函數

a2v結構體表示應用程序傳遞到頂點著色器的模型數據，數據類型如下：

v2f結構體表示把頂點著色器的數據傳遞到片元著色器

vert函數主要作用是頂點變換，把模型坐標從本地空間轉到裁剪空間，并將頂點數據傳遞到片元著色器。

frag函數主要作用是做片元映射和著色，自定義光照模型，根據uv讀取紋理貼圖顏色，并輸出片元數據到測試階段。