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[自学总结] Unity ShaderLab学习总结(一)

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3江湖小虾
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发表于 2017-1-3 10:53:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 天长第9 于 2017-1-3 10:56 编辑

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?


2014-0718-1607-11-33.png

  • 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。
  • 也不讨论具体的渲染技巧
  • 移动设备GPU和桌面设备GPU硬件架构上有较多不同点,详见下面的“移动设备GPU架构简述”一章。
使用Shader

2014-0720-1007-25-36.png


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
[AppleScript] 纯文本查看 复制代码
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
[AppleScript] 纯文本查看 复制代码
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

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
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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
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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
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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
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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
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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。


文/DonaldW


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发表于 2017-1-10 04:45:20 | 显示全部楼层
多谢分享
发表于 2017-1-16 22:36:57 | 显示全部楼层
呵呵呆。。看完有收获的说
5武林高手
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发表于 2017-1-23 16:28:35 | 显示全部楼层
u3d教程好多啊,有整理得好适合初学者的嘛
发表于 2017-1-30 10:20:12 | 显示全部楼层
发奋学习u3d中。。。
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