Version: 2017.1
着色器:ShaderLab 和固定函数着色器
物理系统

着色器:顶点和片元程序

本教程将教您如何在 Unity 着色器中编写顶点和片元程序的基础知识。有关 ShaderLab 的基本介绍,请参阅入门教程。如果要编写与光照交互的着色器,请阅读表面着色器

让我们先简单回顾一下着色器的一般结构:

Shader "MyShaderName"
{
    Properties
    {
        // 此处为材质属性
    }
    SubShader // 图形硬件 A 的子着色器
    {
        Pass
        {
            // 通道命令 ...
        }
        // 更多通道(如果需要)
    }
    // 更多子着色器(如果需要)
    FallBack "VertexLit" // 可选回退
}

Here at the end we introduce a new command: FallBack “VertexLit”. The Fallback command can be used at the end of the shader; it tells which shader should be used if no SubShaders from the current shader can run on user’s graphics hardware. The effect is the same as including all SubShaders from the fallback shader at the end. For example, if you were to write a fancy normal-mapped shader, then instead of writing a very basic non-normal-mapped subshader for old graphics cards you can just fallback to built-in VertexLit shader.

The basic building blocks of the shader are introduced in the first shader tutorial while the full documentation of Properties, SubShaders and Passes are also available.

A quick way of building SubShaders is to use passes defined in other shaders. The command UsePass does just that, so you can reuse shader code in a neat fashion. As an example the following command uses the pass with the name “FORWARD” from the built-in Specular shader: UsePass “Specular/FORWARD”.

In order for UsePass to work, a name must be given to the pass one wishes to use. The Name command inside the pass gives it a name: Name “MyPassName”.

顶点和片元程序

我们在第一个教程中描述了仅使用单个纹理组合指令的通道。现在演示如何在通道中使用顶点和片元程序。

使用顶点和片元程序(所谓的“可编程管线”)时,图形硬件中的大多数硬编码功能(“固定函数管线”)将被关闭。例如,使用顶点程序会完全关闭标准 3D 变换、光照和纹理坐标生成。同样,使用片元程序会取代将在 SetTexture 命令中定义的任何纹理组合模式;因此不需要 SetTexture 命令。

编写顶点/片元程序需要精通 3D 变换、光照和坐标空间,因为您必须自己重写 OpenGL等 API 中内置的固定功能。另一方面,您不仅仅可以使用内置功能!

在 ShaderLab 中使用 Cg/HLSL

ShaderLab 中的着色器通常是用 Cg/HLSL 编程语言编写的。Cg 和 DX9 风格的 HLSL 实际上是同一种语言,所以我们将互换使用 Cg 和 HLSL(有关详细信息,请参阅本页)。

着色器代码是通过在着色器文本中嵌入“Cg/HLSL 代码片段”来编写的。Unity Editor 将代码片段编译为低级着色器程序集,游戏数据文件中包含的最终着色器仅包含此低级程序集或字节码(根据平台而定)。在 __Project 视图__中选择着色器时,检视面板有一个按钮可显示已编译的着色器代码,这可以作为调试助手。Unity 自动编译所有相关平台(Direct3D 9、OpenGL、Direct3D 11、OpenGL ES 等)的 Cg 代码片段。请注意,由于 Cg/HLSL 代码是由 Editor 编译的,因此无法在运行时从脚本创建着色器。

通常,代码片段放在 Pass 代码块内。如下所示:

Pass {
    // ...常规通道状态设置 ...

    CGPROGRAM
    // 此代码片段的编译指令,例如:
    #pragma vertex vert
    #pragma fragment frag

    // Cg/HLSL 代码本身

    ENDCG
    // ...通道设置的剩余部分 ...
}

以下示例演示了一个完整的着色器,它将对象法线渲染为彩色:

Shader "Tutorial/Display Normals" {
    SubShader {
        Pass {

            CGPROGRAM

            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"

            struct v2f {
                float4 pos : SV_POSITION;
                fixed3 color : COLOR0;
            };

            v2f vert (appdata_base v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.color = v.normal * 0.5 + 0.5;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                return fixed4 (i.color, 1);
            }
            ENDCG

        }
    }
}

当应用于对象时,它将生成如下图像:

我们的“Display Normals”着色器没有任何属性,包含一个子着色器,子着色器只有一个通道,通道中除了 Cg/HLSL 代码外无任何其他内容。让我们逐个剖析代码:

CGPROGRAM
# pragma vertex vert
# pragma fragment frag
// ...
ENDCG

整个代码片段写在 CGPROGRAMENDCG 关键字之间。在开头,编译指令以 #pragma 语句形式给出:

  • #pragma vertex name 表示代码包含给定函数中的顶点程序(此处为 __vert__)。
  • #pragma fragment name 表示代码包含给定函数中的片元程序(此处为 __frag__)。

编译之后的指令只是普通的 Cg/HLSL 代码。我们首先包含一个内置 include 文件

# include "UnityCG.cginc"

UnityCG.cginc 文件包含常用的声明和函数,以便着色器可以保持较小(有关详细信息,请参阅着色器 include 文件页面)。这里我们将使用该文件中的 appdata_base 结构。我们可以直接在着色器中定义它们,当然不包括文件。

接下来我们定义一个“顶点到片元”结构(这里名为 __v2f__):从顶点传递给片元程序的信息。我们将传递位置和颜色参数。颜色将在顶点程序中计算,并在片元程序中输出。

我们继续定义顶点程序,即 vert 函数。在这里,我们将位置和输出输入法线计算为颜色: o.color = v.normal * 0.5 + 0.5;

法线分量在 –1 到 1 范围内,而颜色在 0 到 1 范围内,因此我们在上面的代码中缩放和偏置法线。接下来我们定义一个片元程序,即 frag 函数,该函数只输出计算所得颜色,以 1 为 Alpha 分量:

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    return fixed4 (i.color, 1);
}

就是这样,我们的着色器完成了!即使这个简单的着色器对于可视化网格法线也非常有用。

当然,这个着色器根本不会对光源做出响应,这就是事情变得有趣的地方;有关详细信息,请参阅表面着色器

在 Cg/HLSL 代码中使用着色器属性

在着色器中定义属性时,您将为它们指定一个名称,如 _Color_MainTex。要在 Cg/HLSL 中使用它们,只需定义匹配名称和类型的变量。有关详细信息,请参阅着色器程序中的属性页面。

下面是一个完整的着色器,显示由颜色调制的纹理。当然,您也可以在纹理组合器调用中轻松进行相同操作,但这里的重点只是展示如何在 Cg 中使用属性:

Shader "Tutorial/Textured Colored" {
    Properties {
        _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,0.5)
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" { }
    }
    SubShader {
        Pass {

        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag

        #include "UnityCG.cginc"

        fixed4 _Color;
        sampler2D _MainTex;

        struct v2f {
            float4 pos : SV_POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;
        };

        float4 _MainTex_ST;

        v2f vert (appdata_base v)
        {
            v2f o;
            o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.uv = TRANSFORM_TEX (v.texcoord, _MainTex);
            return o;
        }

        fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
        {
            fixed4 texcol = tex2D (_MainTex, i.uv);
            return texcol * _Color;
        }
        ENDCG

        }
    }
}

此着色器的结构与前一个示例中的相同。这里我们定义两个属性,即 _Color_MainTex。在 Cg/HLSL 代码中,我们定义了相应的变量:

fixed4 _Color;
sampler2D _MainTex;

有关更多信息,请参阅使用 Cg/HLSL 访问着色器属性

这里的顶点和片元程序没有任何花哨的东西;顶点程序使用 UnityCG.cginc 中的 TRANSFORM_TEX 宏来确保正确应用纹理比例和偏移,片元程序只是对纹理进行采样并乘以颜色属性。

总结

我们已经展示了如何通过几个简单的步骤编写自定义着色器程序。虽然这里显示的示例非常简单,但您可以编写复杂的任意着色器程序!这可以帮助您充分利用 Unity 并获得最佳渲染效果。

此处是完整的 ShaderLab 参考手册,顶点和片元着色器程序示例页面中提供了更多示例。我们还在 forum.unity3d.com 上有一个着色器论坛,请访问这个论坛以获取与着色器相关的帮助!快乐编程,享受 Unity 和 ShaderLab 的强大功能。

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