unity_高级_shader

Shader

  • Shader 基础概念

    • 什么是 Shader：Shader（着色器）是一段运行在 GPU（图形处理器）上的程序，用于控制图形的渲染过程。它可以决定物体的颜色、光照效果、纹理映射等诸多外观特性。例如，在一个 3D 游戏中，角色模型的皮肤质感、金属装备的光泽度以及环境中的光影效果等都是通过 Shader 来实现的。
    • Shader 的类型：
      • 顶点着色器（Vertex Shader）：主要负责处理顶点数据。它可以进行顶点坐标的转换（从模型空间转换到世界空间、视图空间和屏幕空间），还能对顶点的属性（如颜色、法线方向）进行操作。例如，在一个动画角色的渲染中，顶点着色器可以根据骨骼动画的变换矩阵来修改顶点位置，实现角色的动态变形。
      • 片段着色器（Fragment Shader），也称为像素着色器（Pixel Shader）：是在光栅化阶段后，针对每个像素（片段）进行处理的着色器。它可以根据顶点着色器传递过来的信息、纹理采样以及光照计算等来确定每个像素的最终颜色。例如，在渲染一个带有纹理的物体时，片段着色器会从纹理中采样获取颜色，并结合光照模型计算出像素的最终颜色。
      • 几何着色器（Geometry Shader）：它位于顶点着色器和片段着色器之间，能够对几何图元（如三角形、线段）进行修改或生成新的几何图元。不过，它的使用相对较少，因为会增加一定的计算量和内存占用。例如，在一些特殊效果的渲染中，如毛发渲染或粒子系统的复杂形状生成，几何着色器可以发挥作用。

  • Shader 的编程语言和开发环境

    • 编程语言：
      • HLSL（High - Level Shading Language）：主要用于 DirectX 平台，在 Unity 中也可以使用。它具有丰富的语法和功能，与底层的图形硬件接口紧密结合。例如，在开发 Windows 平台的游戏时，HLSL 可以方便地利用 DirectX 的特性来实现高性能的渲染效果。
      • GLSL（OpenGL Shading Language）：用于 OpenGL 平台，语法与 HLSL 类似，但在一些细节和函数名称等方面有所差异。在跨平台开发中，如果需要同时支持 OpenGL 和其他图形 API，可能需要考虑 GLSL。
      • Cg（C for Graphics）：这是一种跨平台的着色器语言，由 NVIDIA 开发。它在语法上与 HLSL 和 GLSL 有很多相似之处，并且可以通过一些工具方便地转换为其他着色器语言。在 Unity 中，也可以使用 Cg 来编写 Shader。
    • 开发环境：Unity 提供了一个内置的 Shader 开发环境，即 ShaderLab。ShaderLab 是一种基于文本的格式，用于组织和编写 Shader。它允许开发者方便地定义 Shader 的属性、子着色器以及渲染状态等。例如，在 ShaderLab 中，可以轻松地定义一个材质的颜色属性，然后在子着色器中使用这个属性来控制物体的颜色。

  • Shader 的基本结构和工作流程

    • 属性定义（Properties）：在 Shader 的开头部分，通常会定义一些属性，这些属性可以在 Unity 的材质编辑器中进行调整。例如，可以定义一个颜色属性、一个纹理属性或者一个浮点数来控制物体的光泽度等。这些属性为材质和 Shader 之间提供了交互的接口。
    • 子着色器（SubShader）：一个 Shader 通常包含一个或多个子着色器。每个子着色器都有自己的渲染通道（Pass）。子着色器是针对不同的图形硬件和渲染要求而设计的，Unity 会根据当前运行的硬件平台选择一个合适的子着色器来执行。例如，一个 Shader 可能有一个用于高端图形硬件的子着色器，它可以实现高质量的光照效果和复杂的纹理映射；还有一个用于低端硬件的子着色器，它采用了简化的渲染方法来保证性能。
    • 渲染通道（Pass）：每个子着色器中的渲染通道定义了一次完整的渲染过程。在一个渲染通道中，会依次执行顶点着色器、几何着色器（如果有）和片段着色器。例如，在一个前向渲染的渲染通道中，顶点着色器会将顶点坐标转换并传递相关属性，几何着色器（如果使用）会对几何图元进行处理，片段着色器会根据前面的信息计算像素的最终颜色。
    • 回退（Fallback）：当所有的子着色器都无法在当前硬件平台上执行时，Unity 会使用回退的 Shader。回退 Shader 通常是一个简单的、能够在大多数硬件上运行的 Shader，它可以保证物体至少能够被渲染出来，尽管可能效果比较简单。

  • Shader 在实际游戏开发中的应用

    • 材质外观定制：通过编写 Shader，可以为游戏中的物体创建各种各样的材质外观。例如，可以编写一个 Shader 来模拟金属材质，通过控制反射率、粗糙度等属性来实现逼真的金属光泽效果；也可以编写一个 Shader 来模拟皮肤材质，考虑漫反射、次表面散射等因素，使角色的皮肤看起来更加真实。
    • 光照效果实现：Shader 是实现光照效果的关键。可以通过在 Shader 中编写光照模型来模拟不同的光照情况。例如，使用兰伯特（Lambert）光照模型来计算漫反射光照，使用 Phong 或 Blinn - Phong 光照模型来计算高光光照。还可以实现一些特殊的光照效果，如环境光遮蔽（Ambient Occlusion）、基于图像的光照（Image - Based Lighting）等。
    • 特效制作：在游戏开发中，Shader 可以用于制作各种特效。例如，通过在 Shader 中使用噪声纹理（Noise Texture）和时间变量，可以制作火焰、水波、云雾等动态特效。还可以利用 Shader 来实现后处理特效，如模糊效果（用于景深、运动模糊等）、色彩校正效果（调整画面的色调、对比度等）。

unity shader和directx shader区别

  • 平台相关性

    • Unity Shader：是 Unity 游戏引擎特有的着色器系统，旨在跨多个平台（包括 PC、移动设备、主机等）提供相对一致的渲染效果。Unity 在底层会根据不同的目标平台（如 OpenGL、DirectX、Metal 等）将 Unity Shader 转换为相应的底层图形 API 着色器。这使得开发者在编写 Shader 时可以相对较少地考虑具体的硬件和图形 API 细节，更专注于游戏中的渲染效果本身。例如，在开发一个同时面向 Windows 和安卓的游戏时，同一套 Unity Shader 可以在这两个不同平台的设备上工作，尽管它们底层的图形 API（Windows 可能使用 DirectX，安卓使用 OpenGL 或 Vulkan）不同。
    • DirectX Shader：主要用于 Windows 平台，是 DirectX 图形库的一部分。它紧密依赖于 DirectX 的渲染管线和硬件特性，与 Windows 操作系统和 NVIDIA、AMD 等厂商为 Windows 提供的显卡驱动紧密结合。这意味着 DirectX Shader 能够充分利用 DirectX 在 Windows 平台上的性能优化和功能扩展，但相对缺乏跨平台性。例如，在开发一款只针对 Windows 平台的高性能 3D 图形应用程序时，开发者可以使用 DirectX Shader 来深度挖掘 DirectX 在该平台上的图形处理能力。

  • 编程语言和语法差异

    • Unity Shader：在 Unity 中，主要使用 ShaderLab 语言来组织 Shader 代码，同时可以嵌入 HLSL（High - Level Shading Language）、GLSL（OpenGL Shading Language）或 Cg（C for Graphics）等语言来编写具体的着色器逻辑。ShaderLab 提供了一种高层的、便于组织的结构，用于定义 Shader 的属性、子着色器、渲染状态等。例如，在 ShaderLab 中可以方便地定义一个材质的颜色属性，然后在嵌入的 HLSL 代码部分使用这个属性来控制物体的颜色。
    • DirectX Shader：主要使用 HLSL 语言编写。HLSL 是一种为 DirectX 量身定制的高级着色器语言，它具有丰富的语法和功能，与 DirectX 的渲染管线紧密结合。例如，HLSL 提供了一些特定于 DirectX 的语义（Semantics），如 SV_POSITION 用于指定顶点位置，这些语义在与 DirectX 的底层接口交互时非常重要，而在 Unity Shader 中可能通过其他方式来处理类似的概念。

  • 渲染管线和功能细节差异

    • Unity Shader：Unity 有自己的渲染管线，如内置渲染管线、通用渲染管线（URP）和高清渲染管线（HDRP）。这些管线在一定程度上封装了底层的图形 API 细节，为开发者提供了更简洁的渲染流程和功能接口。例如，在 Unity 的通用渲染管线中，提供了简化的光照模型和后处理效果接口，开发者可以通过 Unity Shader 相对容易地实现一些常见的光照效果和屏幕特效，而无需深入了解底层的 DirectX 或 OpenGL 渲染管线细节。
    • DirectX Shader：DirectX 的渲染管线相对更底层和灵活，开发者可以更直接地控制渲染的各个阶段。这使得在实现一些高度定制化的渲染效果或性能优化时具有更大的优势，但同时也需要开发者对渲染管线有更深入的理解。例如，在 DirectX 中，可以更精细地调整纹理采样阶段的参数，或者深入定制几何着色器（Geometry Shader）的功能，以实现复杂的几何变形或粒子效果。

  • 开发和调试难度差异

    • Unity Shader：由于 Unity 提供了相对高层的抽象和一些图形化的工具辅助，如材质编辑器（Material Editor）和 Shader Graph（可视化的 Shader 编辑工具），对于初学者来说，开发和调试 Unity Shader 可能更容易入手。例如，在 Shader Graph 中，开发者可以通过直观的节点连接方式来构建 Shader，而无需编写大量的代码，并且可以实时看到效果的变化，方便调试。
    • DirectX Shader：开发和调试 DirectX Shader 通常需要对图形编程和 DirectX 的底层知识有更深入的了解。没有像 Unity 那样丰富的图形化工具辅助，开发者需要更多地依赖代码编辑器和调试工具（如 Visual Studio 的图形调试功能）来查找和解决问题。这使得 DirectX Shader 的开发和调试过程相对更复杂，对开发者的技术要求更高。

简单示例

顶点 / 片段着色器示例

  • 简单的颜色显示着色器 
    1. Shader "Unlit/RedShader"
    2. {
    3.     Properties
    4.     {
    5.         _Color("Color",Color)=(1,0,0,1)
    6.     }
    7.     SubShader
    8.     {
    9.         Tags { "RenderType"="Opaque" }
    10.         LOD 100
    11.         CGPROGRAM
    12.         #pragma vertex vert
    13.         #pragma fragment frag
    14.         #include "UnityCG.cginc"
    15.  
    16.         fixed4 _Color;
    17.  
    18.         struct appdata
    19.         {
    20.             float4 vertex : POSITION;
    21.         };
    22.  
    23.         struct v2f
    24.         {
    25.             float4 vertex : SV_POSITION;
    26.         };
    27.  
    28.         v2f vert (appdata v)
    29.         {
    30.             v2f o;
    31.             o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    32.             return o;
    33.         }
    34.  
    35.         fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
    36.         {
    37.             return _Color;
    38.         }
    39.         ENDCG
    40.     }
    41. }

    基本属性和变量定义着色器

  1. Shader "My/01 shader"
  2. {
  3.     Properties
  4.     {
  5.         _Color("Color",Color) = (1,1,1,1)
  6.         _Vector("Vector",Vector) = (3,2,3,1)
  7.         _Int("Int",Int) = 234
  8.         _Float("Float",Float) = 1.2
  9.         _Range("Range",Range(2,8)) = 6
  10.         _2D("Texture",2D) = "red"{}
  11.         _Cube("Cube",Cube) = "white"{}
  12.         _3D("Texure",3D) = "black"{}
  13.     }
  14.     SubShader
  15.     {
  16.         Pass
  17.         {
  18.             CGPROGRAM
  19.             #pragma vertex vert
  20.             #pragma fragment frag
  21.  
  22.             float4 _Color;
  23.             int _Int;
  24.             float _Float;
  25.             float _Range;
  26.             sampler2D _2D;
  27.             samplerCUBE _Cube;
  28.             sampler3D _3D;
  29.  
  30.             float4 vert(float4 v:POSITION):SV_POSITION
  31.             {
  32.                 return UnityObjectToClipPos(v);
  33.             }
  34.  
  35.             fixed4 frag():SV_Target
  36.             {
  37.                 return fixed4 (_Int,1,1,1);
  38.             }
  39.             ENDCG
  40.         }
  41.     }
  42.     FallBack "Diffuse"
  43. }

表面着色器示例

  • 简单白色漫反射着色器： 
    1. Shader "example/diffuse simple"
    2. {
    3.     subshader
    4.     {
    5.         tags { "rendertype" = "opaque" }
    6.         cgprogram
    7.         #pragma surface surf Lambert
    8.  
    9.         struct input
    10.         {
    11.             float4 color : color;
    12.         };
    13.  
    14.         void surf (input in, inout surfaceoutput o)
    15.         {
    16.             o.albedo = 1;
    17.         }
    18.         endcg
    19.     }
    20.     fallback "diffuse"
    21. }

  • 带纹理的漫反射着色器

  1. Shader "example/diffuse texture"
  2. {
  3.     Properties
  4.     {
  5.         _maintex ("texture", 2D) = "white" {}
  6.     }
  7.     subshader
  8.     {
  9.         tags { "rendertype" = "opaque" }
  10.         cgprogram
  11.         #pragma surface surf Lambert
  12.  
  13.         struct input
  14.         {
  15.             float2 uv_maintex;
  16.         };
  17.  
  18.         sampler2D _maintex;
  19.  
  20.         void surf (input in, inout surfaceoutput o)
  21.         {
  22.             o.albedo = tex2d (_maintex, in.uv_maintex).rgb;
  23.         }
  24.         endcg
  25.     }
  26.     fallback "diffuse"
  27. }

注：本文转载自blog.csdn.net的lao geng的文章"https://blog.csdn.net/gengkunpeng/article/details/144983869"。版权归原作者所有，此博客不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如有侵权，请联系我们删除。
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