【UnityShader入门精要学习笔记】第三章（2）Unity Shader的形式，章节答疑

本系列为作者学习UnityShader入门精要而作的笔记，内容将包括：

• 书本中句子照抄 + 个人批注
• 项目源码
• 一堆新手会犯的错误
• 潜在的太监断更，有始无终

总之适用于同样开始学习Shader的同学们进行有取舍的参考。

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（该系列笔记中大多数都会复习前文的知识，特别是前文知识非常重要的时候，这是为了巩固记忆，诸位可以直接通过目录跳转）

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Unity Shader的形式

尽管Unity Shader可以做的事情非常多（例如设置渲染状态等），但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语句块中（表面着色器），也可以写在Pass语句块中（顶点/片元着色器和固定函数着色器）

表面着色器

表面着色器（Surface Shader) 是Unity自己创作的一种着色器代码类型，它的本质和顶点/片元着色器（VF） 是一样的。我们定义了一个表面着色器，Unity做的工作仍然是将其转换为顶点/片元着色器再处理。因此表面着色器可以看作Unity对顶点/片元着色器的更高一层抽象。使用表面着色器，Unity帮我们处理了很多光照细节，我们就不必要去操心哪些烦人的事情。

一个简单的表面着色器示例如下：

Shader "Custom/Simple Surface Shader"{
	SubShader{
		Tags{ "RenderType" = "Opaque"}
		// 以CGPROGRAM开头代表下列代码使用了CG编写
		CGPROGRAM
		// #pragma为预处理指令，声明surface表面着色器将使用函数surf作为表面函数，Lambetr作为光照函数（其中surf是自定义的，Lambert是Unity自带的光照函数）
		#pragma surface surf Lambetr
		// 定义结构体Input
		struct Input{
			float4 color: COLOR;
		};
		//定义Input类型的形参IN，以及SurfaceOutput类型的形参o,
		// 其中inout是一个关键字
		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o){
			o.Albedo = 1;
		}
		// 结束CG
		ENDCG
	}
	Fallback "Diffuse"
}

上述表面着色器定义在了SubShader语句块 （而非Pass语句块中）中的CGPROGRAM和ENDCG之间。当我们使用表面着色器，就不需要关心使用多少个Pass，这些Unity会帮我们处理好，我们要做的只是定义好使用的表面函数和光照函数即可。

CGPROGRAM和ENDCG中的代码是使用CG/HLSL编写的。语法上和CG/HLSL的语法基本一致。

拓展，CG语法中的in，out，inout关键字

既然上述代码中使用到了inout，我们可以简单讲一下这个关键字。其实类比C#中的in，out关键字以及C++的指针就方便理解了。

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o){
	o.Albedo = 1;
}

我们定义了一个函数，这个函数有两个形参，分别是IN和o。其中IN我们没有指定关键字(限定符），而o指定了inout关键字。在CG/HLSL/GLSL中，函数形参可以通过关键字来定义：

限定符	说明
in	如果不使用限定符时，默认形参的限定符就是in ,传入函数的形参实际上是实参的复制值。in代表了对实参可读不可写（形参由实参的复制值得到，且修改形参不影响实参）
out	out代表了对实参可写不可读（相当于指针，out修饰的形参指向这个实参本身，修改时会影响实参的值）
inout	对实参可读且可写，传入形参的是实参的复制值，但是函数结束后会根据这个值对应地修改实参

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顶点/片元着色器

在Unity中我们可以使用CG/HLSL来编写顶点/片元着色器（Vertex/Fragment Shader,简称VF) 。它们更加复杂，但灵活度也更高。

下面是一个顶点/片元着色器的示例代码：

Shader "Custom/Simple VertexFragment 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 fixed4(1.0 , 0.0, 0.0 , 1.0);
			}
			ENDCG
		}
	}
}

与表面着色器相似，顶点/片元着色器代码也是定义在CGPROGRAM和ENDCG区块之间的。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。

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固定函数着色器

表面着色器和顶点/片元着色器都使用了可编程的渲染管线。对于那些不支持可编程渲染管线的老式设备，我们只能使用固定函数着色器(Fixed Function Shader） 来完成渲染了，这些着色器只能完成一些简单的效果。

Shader "Tutorial/Basic" {
	Properties {
		_Color ("Main Color",Color) = (1, 0.5, 0.5, 1)
	}
	SubShader {
		Pass {
			Material {
				Diffuse {_Color}
			}
			Lighting On
		}
	}
}

固定函数着色器是完全使用ShaderLab语法的。我们只能在Pass语句块中定义，这些代码相当于Pass中的一些渲染设置。（实际上这些固定函数着色器也会被Unity编译成对应的顶点/片元着色器)

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对Unity Shader选择的建议

那么我们究竟应该选择哪一种着色器进行Unity Shader的编写？

• 如果有很明确的需求，必须在旧时设备上运行，选择固定函数着色器。否则请选择可编程的着色器，即表面着色器和顶点/片元着色器。
• 如果你想和各种光源打交道，你可能更喜欢使用表面着色器，但是小心在移动平台上的性能表现。
• 如果需要使用的光照数量少，例如只有一个平行光，那么使用顶点/片元着色器是一个更好的选择。
• 更重要的是，如果你有很多自定义的渲染效果，请使用顶点/片元着色器。

最重要的一点，不要单纯地去记忆，怎么使用，在何时使用，去理解，去掌握，知其然然后知其所以然。

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(依然是作者答疑)

章节答疑

Unity Shader != Shader

在第二章学习渲染流水线的时候，我们学习到了着色器Shader。我们之前也提到了，Unity Shader和渲染流水线的Shader不是同一个东西，只是由于我们在Unity开发中常常把Unity Shader简称为Shader，因此不少人会将二者搞混。

需要区分这两个概念，传统意义上的Shader，指的是渲染流水线的着色器代码文件。而Unity Shader指的是ShaderLab编写的文件，其文件名后缀为.shader。它们的区别如下：

• 传统Shader中，我们仅可以编写特定类型的Shader，例如顶点着色器、片元着色器等（也就是说一个Shader只能对应一种着色器）。而在Unity Shader中，我们可以在同一个文件里同时包含需要的顶点着色器和片元着色器（一个Unity Shader可以编写多个着色器）。
• 传统的Shader中，我们无法设置一些渲染设置，例如是否开启混合、深度测试等，这些需要开发者在其他代码中设置。而Unity Shader中，我们通过一行特定的指令就可以完成这些设置。（Unity Shader可以顺带进行渲染设置）
• 在传统的Shader中，我们需要编写冗长的代码来设置着色器的输入和输出，要小心地处理这些输入输出的位置对应关系等。而在Unity Shader中，我们只需要在特定语句块中声明一些属性，就可以通过Material来方便地修改这些属性。并且对于模型自带的数据（如顶点位置、纹理坐标、法线等），Unity Shader也提供了直接访问的方法，不需要开发者自行编码来传给着色器。（简化使用，对数据的访问更加灵活）

虽然Unity Shader相对于传统Shader使用上更方便了，但由于高度的抽象和封装，导致我们可以编写的Shader类型和语法都被限制了。对于一些类型的Shader，例如曲面细分着色器，几何着色器等等，Unity的支持就相对差一些。除此之外，一些高级的Shader语法Unity Shader也不支持。

Untiy Shader提供了一种让开发者同时控制渲染流水线中多个阶段的一种方式，而不仅仅是Shader代码。作为开发者而言，Unity Shader提供的抽象层使我们只需要关心Unity Shader的实现代码，而不需要关心底层渲染引擎的实现细节。

Unity Shader和CG/HLSL的关系

Unity Shader是使用ShaderLab语言编写的。但是对于表面着色器和顶点/片元着色器，我们可以在ShaderLab内部使用CG/HLSL来编写。这些CG/HLSL代码是嵌套在CGPROGRAM ENDCG标签内部的。在Unity里CG和HLSL几乎是等价的，所以想要编写好Unity Shader，不仅需要掌握ShaderLab，还需要学习CG/HLSL语言的实现。

通常来说，CG代码位于Pass块内部：

Pass {
	// Pass的标签和状态设置
	CGPROGRAM
	// 编译指令，例如:
	#pragma vertex vert
	#pragma fragment frag
	// CG代码
	ENDCG
	// 其他一些设置
}

但是之前在编写表面着色器的示例代码中，我们发现CGPROGRAM定义在了SubShader块中，这是由于表面着色器实质上还是Unity对顶点/片元着色器的一层封装，Unity在背后会将其转化为一个包含多Pass的顶点/片元着色器，所以还是符合我们上述CG代码位于Pass块内部的定义的。

虽然我们上文讲到Unity提供了三种着色器：表面着色器，顶点/片元着色器，固定函数着色器。但实质上，表面着色器和固定函数着色器最后都会被转化为顶点/片元着色器。所以本质上讲Unity中只存在顶点/片元着色器。

Unity Shader的编译

Unity编辑器会把CG片段翻译成低级语言编译到不同渲染平台上。这些编译过程比较复杂，Unity会使用不同的编译器来把CG转化成对应平台的代码。

通过面板上的编译和生成代码， 来查看不同平台生成的Shader代码。以进行Debug和优化。

当游戏发布后，游戏数据文件会移除目标平台不需要的代码，保留平台需要的编译代码。

可以使用GLSL吗？

可以，使用GLSLPROGRAM ENDGLSL标签。如果选择GLSL意味着不支持PC、XBOX这样的仅支持DirectX的平台。

如何在Unity中使用GLSL
Unity shader-writing文档

还有需要纠正一下，NVIDIA已经放弃CG了，所以还是学习GLSL和HLSL吧。