Shader

爱被打了一巴掌 2022-02-21 08:07 354阅读 0赞

## 初始shader ##

**Shader概述**

*  Shader（着色器）是给GPU执行的程序。
 *  Shader是运行在图形处理单元上，可以让开发人员直接操作图形硬件渲染功能。
 *  Shader能开发出很多好的效果：UV动画，水，雾等一些特效。（这些用程序开发出来比较困难，性能不好）
 *  渲染流水线，模型投影，定点着色器；
 *  Shader主要有：

1.  固定管线着色器（慢慢会被淘汰掉）
2.  顶点Shader：干预模型形态的shader；
3.  像素shader：干预像素着色的shader;

*  模型定点运算的时候，可以加入顶点shader来干预顶点的位置；顶点着色的时候，加入像素shader来干预像素上色。

**Shader Lab语法基础**

定义一个Shader，每一个着色程序都要有一个Shader

Shader "name"\{// name Shader名称

//定义的一些属性，定义在这里的都会在属性查看器里面显示；

\[Propeties\]

//子着色器列表，一个Shader必须至少有一个子着色器；

SubShaders:\{......\}

//如果子着色器显卡不支持，就会降级，即Fallback操作；

\[FallBack\]

*  **Properties****定义**

1:name(“display name”, type) = 值;

name指的是属性的名字，Unity中用下划线开始\_Name;

display name是在属性检查器的名字;

type: 这个属性的类型

值: 只这个属性的默认值;

2: 类型:

Float, Int, Color(num, num, num, num)(0 ~ 1) Vector(4维向量), Range(start, end)

2D: 2D纹理属性;

Rect: 矩形纹理属性;

Cube: 立方体纹理属性;

3D: 3D纹理属性;

name(“displayname”, 2D) = “name” \{options\}

3: Options: 纹理属性选项

TexGen:纹理生成模式,纹理自动生成纹理坐标的模式;顶点shader将会忽略这个选项;

ObjectLinear, EyeLinear, SphereMap, CubeReflect CubeNormal

LightmapMod: 光照贴图模式如果设置这个选项,纹理会被渲染器的光线贴图所影响。

1: \_Range (“range value”, Range(0, 1)) = 0.3; // 定义一个范围

2: \_Color(“color”, Color) = (1, 1, 1, 1); // 定义一个颜色

3: \_FloatValue(“float value”, Float) = 1 // 定义一个浮点

4: \_MainTex (“Albedo”, Cube) = “skybox” \{ TexGen CubeReflect\} // 定义一个立方贴图纹理属性;

*  **SubShader**

1: SubShader \{\[Tags\], \[CommonState\], Pass \{\} \}

子着色器由 标签(Tags),通用状态,通道列表组成,它定义了一个渲染通道列表，并可选为所有通道初始化需要的通用状态;

2: SubShader渲染的时候，将优先渲染一个被每个通道所定义的对象。

3: 通道的类型: RegularPass, UsePass, GrabPass,

4: 在通道中定义状态同时对整个子着色器可见，那么所有的通道可以共享状态;

SubShader {
        Tags {“Queue”, “Transparent” }
         Pass {
    	Lighting Off   // 关闭光照
              ....
         }
    }

*  **Tags**

1: Tags \{“标签1” = “value1” “key2” = “value2”\}

2: 标签的类型:

Queue tag 队列标签;

RenderType tag 渲染类型标签;

DisableBatching tag 禁用批处理标签;

ForceNoShadowCasting Tag 强制不投阴影标签;

IgnoreProjecttor 忽略投影标签;

CanUseSpriteAtlas Tag,使用精灵图集标签;

PreviewType Tag预览类型标签;

*  **Pass**

1: subshader 包装了一个渲染方案，这些方案由一个个通道(Pass)来执行的，SubShader可以包括很多通道块,每个Pass都能使几何体渲染一次;

2: Pass基本语法:

Pass \{ \[Name and Tags\] \[RenderSetup\] \[Texture Setup\]\}

Pass块的Name引用此Pass,可以在其它着色器的Pass块中引用它，减少重复操作,Name命令必须打大写;

*  **RegularPass** **渲染设置**

1: Lighting 光照: 开启关闭定点光照 On/Off

2: Material\{ 材质块\}: 材质,定义一个使用定点光照管线的材质;

3:ColorMaterial: 颜色集 计算定点光照的时使用顶点颜色;

4: SeparateSpecular: 开光状态 开启或关闭顶点光照相关的镜面高光颜色，On/Off;

5: Color 设置定点光照关闭时的所使用的颜色;

6: Fog\{ 雾块\}: 设置雾参数;

7: AlphaTest: Alpha测试

8: ZTest: 深度测试模式;

9: ZWrite: 深度写模式;

10: Blend: 混合模式 SourceBlendMode, DestBlendMode, AlphaSourcesBlendMode, AlphaDstBlendMode;

11: ColorMask 颜色遮罩: 设置颜色遮罩,颜色值可以由RGB或A或0或R,G,B,A的组合,设置为0关闭所有颜色通道渲染;

12: Offset偏移因子: 设置深度偏移;

*  **特殊通道****Pass**

1: UsePass: 插入所有来自其它着色器的给定名字的通道;

UsePass ”Shader/Nmae”, Name为着色器通道;

UsePass “Specular/BASE” // 插入Specular中为Bass的通道;

2: GrabPass \{\}: 一种特殊通道类型，他会捕获物体所在的位置的屏幕的内容，并写入一个纹理中，这个纹理能被用于后续通道中完成一些高级图像特效,后续通道可以使用

\_GrabTexture进行访问;

3: GrabPass\{“纹理名称”\} 捕获屏幕内容到指定纹理中，后续通道可以通过纹理名称来访问;

*  **Fallback**

1:降级: 定义在所有子着色器之后,如果没有任何子着色器能运行，则尝试降级;

2: Fallback “着色器名称”;

3: Fallback Off;

没有降级，并且不会打印任何警告;

*  **Category****分类**

1:分类是渲染命令的逻辑组。例如着色器可以有多个子着色器,他们都需要关闭雾效果，和混合

Shader “xxxx” {
        Categroy {
           Fog { Mode Off }
           SubShader {...}
           SubShader {...}
        }
    }

## 顶点片元shader ##

*  **空间坐标**

1.  物体空间: 3D物体自己的坐标空间一般设计时几何体以中心为原点,人物以双脚为原点;
2.  世界空间: 3D物体在场景中的世界坐标, 整个游戏场景的空间;
3.  摄像机空间: 以观察摄像机为原点的坐标系下的坐标空间;
4.  投影成像 3D坐标转换到屏幕空间;

*  **Unity坐标系转换**

1.  transform.localToWorldMatrix 局部转世界的矩阵;
2.  transfrom.worldToLocalMatrix 世界坐标转局部坐标矩阵;
3.  MultiplyPoint, MultiplyPoint3x4 MultiplayVector 来进行坐标变换;
4.  shader中 左乘unity\_World2Object矩阵来实现世界坐标转局部坐标变换;
5.  shader中左乘unity\_Object2World矩阵来实现局部转世界的转换;
6.  UNITY\_MATRIX\_MV 基本变换矩阵 x 摄像机矩阵;
7.  UNITY\_MATRIX\_MVP 基本变换矩阵x摄像机矩阵x投影矩阵;
8.  UNITY\_MATRIX\_V 摄像机矩阵;
9.  UNITY\_MATRIX\_P 投影矩阵;
10. UNITY\_MATRIX\_VP摄像机矩阵x投影矩阵;
11. UNITY\_MATRIX\_T\_MV (基本变换矩阵 x 摄像机矩阵) 转置矩阵;
12. UNITY\_MATRIX\_IT\_MV(基本变换矩阵 x 摄像机矩阵) 的逆转置矩阵;
13. UNITY\_MATRIX\_TEXTURE0 纹理变化矩阵;

##  GPU管道流水线 ##

1: 主要的运算在GPU上计算，CPU插入指令;

2: 大致流程:

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTMxNjgyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

*  **顶点片元着色器**

1.  控制灵活，但不能参与光照计算;
2.  在着色器中插入Cg代码段,编写在CGPROGRAM 与 ENDCG之间;
3.  编译指令: (a) \#pragma控制 着色器代码编译; (b) \#pragma vertex name 将名称为name的函数编译为顶点着色器; (c) \#pragma fragment name 将名称为name的函数编译为片元着色器;
4.  参数和返回值有语义修饰

*  **常用语义修饰**

1.  **POSITION** : 位置
2.  **TANGENT** : 切线
3.  **NORMAL**: 法线
4.  **TEXCOORD0**: 第一套纹理
5.  **TEXCOORD1**: 第二套纹理
6.  **TEXCOORD2**: 第三套纹理
7.  **TEXCOORD3**: 第四套纹理
8.  **COLOR**: 颜色

##  **Cg****基本语法** ##

*  **基本类型表达式**

1.  语法和C语言类是,有对应的编译器,程序是给显卡运行;
2.  可以从渲染流水线中获得对应的输入;
3.  指定的输出能流入下一个流水线模块;
4.  操作符号和C语言一样，可以使用 \+, -, \* / <, >, <=, >= 等运算;
5.  Cg提供了float half double 浮点类型;
6.  Cg 支持定点数 fixed来高效处理 某些小数;
7.  Cg使用int来表示整数;
8.  bool 数据类型来表示逻辑类型;
9.  sampler\*,纹理对象的句柄, sampler/1D/2D/3D/CUBE/RECT
10. 内置向量数据类型: float4(float, float, float, float), 向量长度不能超过4;
11. 内置矩阵数据类型: float1x1 float2x3 float4x3 float4x4;不能超过4x4;
12. 数组类型float a\[10\]; 10个float, float4 b\[10\], 10个float4;
13. 语义绑定 float4 a : POSITION,返回值也可以语义绑定;

*  **结构体与语义**

struct name {
          类型 名字; 
           // 尽量不要使用;
           返回值 函数名称(参数) { // 如果成员函数里面使用，数据成员，该成员定义在函数前;
           }
    };
    如
    
    struct v2f{
    	 float2 uv : TEXCOORD0;
    	 float4 vertex : POSITION;
    };

**输入语义与输出语义：**

语义：一个阶段处理数据，然后传输给下一个阶段，那么每个阶段之间的接口；

例如：顶点处理器的输入数据是处于模型空间的顶点数据（位置，法向量），输出的是投影坐标和光照颜色；片段处理器要将 光照颜色做为输入；c/c++用指针，而cg通过语义绑定的形式；

输入语义: 绑定接收参数,从上一个流水线获得参数； 输出语义: 绑定输出参数到下一个流水线模块; 语义: 入口函数上有意义(顶点着色入口,像素着色入口)，普通的函数无意义;

**标准内置函数**

1:abs(num)绝对值;

2: 三角函数;

3: cross(a, b) 两个向量的叉积;

4: determinant(M)矩阵的行列式;

5: dot(a, b) 两个向量的点积;

6: floor(x)向下取整;

7: lerp(a, b, f), 在a, b之间线性插值;

8: log2(x) 基于2为底的x的对数;

9: mul(m, n): 矩阵x矩阵, 矩阵x向量, 向量x矩阵;

10: power(x, y) x的y次方;

11: radians(x) 度转弧度;

12: reflect(v, n) v 关于法线n的反射向量;

13: round(x) 靠近取整;

14: tex2D(smapler, x) 二维纹理查找

15: tex3Dproj(smapler, x) 投影三维纹理查找;

16: texCUBE 立方体贴图纹理查找;

**Unity****自带函数**

1: 引用Unity自带的函数库: \#include “UnityCG.cginc” Unity-->Edit-->Data-->CGIncludes;

2: TRANSFORM\_TEX: 根据顶点的纹理坐标，计算出对应的纹理的真正的UV坐标;

3: 使用属性的变量: 在shader里面需要使用属性变量还需要在shader中定义一下这个变量的类型和名字;

名字要保持一致;

4: 外部修改shader的编辑器上的参数值;

**float4 fixed4 \_Time**

1: float4是内置向量 (x, y, z, w); float4 a; 访问单独成员a.x, a.y, a.z, a.w;

2: fixed4 是内置向量(r, g, b, a); fixed4 c; color.r, color.g, color.b, color.a;

3: float3是内置向量(x, y, z);

4: fixed3 是内置向量(r, g, b);

5: float2 是内置向量(x, y);

6: \_Time: 自场景加载开始所经过的时间t，4个分量分别是 (t/20, t, t\*2, t\*3);

7: \_SinTime: t 是时间的正弦值，4个分量分别是 (t/8, t/4, t/2, t);

8: \_CosTime: t 是时间的余弦值，4个分量分别是 (t/8, t/4, t/2, t);

9: unity\_DeltaTime: dt 是时间增量，4个分量的值(dt, 1/dt, smoothDt, 1/smoothDt),平滑时间，防止时间间隔起伏太大;

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