Unity3D Shader学习之六—顶点和片段着色器

基于上一篇文章的内容，将重点放在顶点和片段着色器。

下面是顶点和片段着色器的基本结构：

//着色器的名称，将出现在编辑器中所列出的材质检视器列表中
Shader "MyShaderName" {
//着色器可以有一系列属性。着色器中定义的任何属性都显示在 Unity 内的材质检视器中。典型属性有物体颜色和纹理，或者只是着色器使用的任意值。
Properties {
// ... properties here ...
    }
//数目不定，但至少要有一个，Unity会选择最适合的SubShader运行到指定平台
SubShader {
// ... subshader for graphics hardware A ...
//数据不定，但至少要有一个，通道 (Pass) 块使对象的几何结构被渲染一次
Pass {
// ... pass commands ...
        }
// ... more passes if needed ...
    }
SubShader {
// ... subshader for graphics hardware B ...
    }
// ... Optional fallback ...
//如果所有子着色器都无法在该硬件上运行，就运行此着色器，异常处理
FallBack "VertexLit"
}

//着色器的名称，将出现在编辑器中所列出的材质检视器列表中

Shader "MyShaderName" {

//着色器可以有一系列属性。着色器中定义的任何属性都显示在 Unity 内的材质检视器中。典型属性有物体颜色和纹理，或者只是着色器使用的任意值。

Properties {

// ... properties here ...

}

//数目不定，但至少要有一个，Unity会选择最适合的SubShader运行到指定平台

SubShader {

// ... subshader for graphics hardware A ...

//数据不定，但至少要有一个，通道 (Pass) 块使对象的几何结构被渲染一次

Pass {

// ... pass commands ...

}

// ... more passes if needed ...

}

SubShader {

// ... subshader for graphics hardware B ...

}

// ... Optional fallback ...

//如果所有子着色器都无法在该硬件上运行，就运行此着色器，异常处理

FallBack "VertexLit"

}

各部分详细说明：

Name：
Shader “name” { [Properties] Subshaders [Fallback] } 定义一个着色器
可以支持/，在编辑中以目录的形式展示，例如：

Shader "Test/ShaderTest" {}

1	Shader "Test/ShaderTest" {}

Properties：
属性 (Properties) { Property [Property …] }定义属性块。括号内，多个属性定义如下。

name (“display name“, Range (min, max)) = number定义浮点属性，代表检视器中从最小值 (min) 到最大值 (max)的滑块。
name (“display name“, Color) = (number,number,number,number)定义颜色属性。
name (“display name“, 2D) = “name” { options }定义二维纹理属性。
name (“display name“, Rect) = “name” { options }定义矩形（非 2 的幂）纹理属性。
name (“display name“, Cube) = “name” { options }定义立方体贴图纹理属性。
name (“display name“, Float) = number定义浮点属性。
name (“display name“, Vector) = (number,number,number,number)定义四分量向量属性。

如果您想在着色器程序中访问那些属性中的一些属性，您需要声明一个具有相同名称和匹配类型的 Cg/HLSL 变量。例如，以下这些着色器属性：

_MyColor ("Some Color", Color) = (1,1,1,1) 
_MyVector ("Some Vector", Vector) = (0,0,0,0) 
_MyFloat ("My float", Float) = 0.5 
_MyTexture ("Texture", 2D) = "white" {} 
_MyCubemap ("Cubemap", CUBE) = "" {}

_MyColor ("Some Color", Color) = (1,1,1,1)

_MyVector ("Some Vector", Vector) = (0,0,0,0)

_MyFloat ("My float", Float) = 0.5

_MyTexture ("Texture", 2D) = "white" {}

_MyCubemap ("Cubemap", CUBE) = "" {}

将在 Cg/HLSL 代码中被声明为：

fixed4 _MyColor; // 精度低的类型对颜色来说已足够
float4 _MyVector;
float _MyFloat; 
sampler2D _MyTexture;
samplerCUBE _MyCubemap;

fixed4 _MyColor; // 精度低的类型对颜色来说已足够

float4 _MyVector;

float _MyFloat;

sampler2D _MyTexture;

samplerCUBE _MyCubemap;

SubShader:
Subshader { [Tags] [CommonState] Passdef [Passdef …] }定义子着色器为可选的标记、普通状态和一系列通道定义。

Pass:
Pass { [Name and Tags] [RenderSetup] [TextureSetup] }基本通道命令包含了渲染设置命令的可选列表，后面可跟随一系列纹理以供使用。
Pass结构是这样的，Cg 程序代码片段被编写在 CGPROGRAM 和 ENDCG 之间。

 Pass {
      // ...常用的通道状态设置...

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

      // Cg 代码自身

      ENDCG
      // ...通道设置的剩余部分...
  }

Pass {

// ...常用的通道状态设置...

CGPROGRAM

// 该代码片段的编译指令，例如：

#pragma vertex vert

#pragma fragment frag

// Cg 代码自身

ENDCG

// ...通道设置的剩余部分...

}

FallBack:
Fallback”name”回退到有给定名称的着色器。
Fallback Off 回退关闭,明确表示即使没有子着色器可以在该硬件上运行，也不会有回退以及应打印的警告。

顶点着色器示例：

Shader "VertexInputSimple" {
  SubShader {
    Pass {
      CGPROGRAM
      #pragma vertex vert
      #pragma fragment frag
      #include "UnityCG.cginc"

      //vertex to fragment
      struct v2f {
          float4 pos : SV_POSITION;
          fixed4 color : COLOR;
      };

      //appdata_base 包含application to vertex参数
      v2f vert (appdata_base v)
      {
          v2f o;
          o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
          o.color.xyz = v.normal * 0.5 + 0.5;
          o.color.w = 1.0;
          return o;
      }

      //
      fixed4 frag (v2f i) : COLOR0 { return i.color; }
      ENDCG
    }
  } 
}

Shader "VertexInputSimple" {

SubShader {

Pass {

CGPROGRAM

#pragma vertex vert

#pragma fragment frag

#include "UnityCG.cginc"

//vertex to fragment

struct v2f {

float4 pos : SV_POSITION;

fixed4 color : COLOR;

};

//appdata_base 包含application to vertex参数

v2f vert (appdata_base v)

{

v2f o;

o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);

o.color.xyz = v.normal * 0.5 + 0.5;

o.color.w = 1.0;

return o;

}

fixed4 frag (v2f i) : COLOR0 { return i.color; }

ENDCG

}

看示例中的蓝色部分：

1.#pragma vertex vert

#pragma指令，指定vertex函数为vert,常用的指令有：

#pragma vertex 名称 – 将函数名称编译为顶点着色器。
#pragma fragment 名称 – 将函数名称编译为片元着色器。
#pragma geometry 名称 – 将函数名称编译为 DX10 几何结构着色器。要使这个选项自动打开 #pragma target 4.0
#pragma hull 名称 – 将函数名称编译为 DX11 外壳着色器。要使这个选项自动打开 #pragma target 5.0
#pragma domain 名称 – 将函数名称编译为 DX11 域着色器。要使这个选项自动打开 #pragma target 5.0

2.#include “UnityCG.cginc”
Unity可包含引入预定义变量和帮助函数的文件，其他内置文件有：

HLSLSupport.cginc– （自动包含）用于跨平台着色器编译的帮助宏和定义。
UnityCG.cginc– 常用的全局变量和帮助函数。
AutoLight.cginc– 光照和阴影功能，例如，表面着色器在内部使用此文件。
Lighting.cginc– 标准表面着色器光照模型；当您编写表面着色器时自动将其包含。
TerrainEngine.cginc– 用于地形 (Terrain) 和植被 (Vegetation) 着色器的帮助函数。

3.appdata_base

是一个数据结构，提供顶点数据给 Cg/HLSL 顶点程序，几个常用的顶点结构定义在UnityCG.cginc 包含文件，大多数情况下只使用它们就足够了。其它结构有：

appdata_base: 顶点由位置、法线和一个纹理坐标构成。
appdata_tan: 顶点由位置、切线、法线和一个纹理坐标构成。
appdata_full: 顶点由位置、切线、法线、两个纹理坐标以及颜色构成

结构成员必须是下面列出的成员：
float4 vertex 是顶点位置
float3 normal 是顶点法线
float4 texcoord 是第一个 UV 坐标
float4 texcoord1 是第二个 UV 坐标
float4 tangent 是切线向量（用于法线贴图）
float4 color 是逐顶点颜色

顶点着色器是如何知道这些成员的含义的呢？是由成员定义时后跟冒号加字符串指定的！这些字符串就是语义。例如appdata_base定义如下（请查看UnityCG.cginc源文件）：

 struct appdata_full {
 float4 vertex : POSITION;//模型空间的顶点位置
 float4 tangent : TANGENT;//模型空间的顶点切线
 float3 normal : NORMAL;//模型空间的顶点法线
 float4 texcoord : TEXCOORD0;//顶点的第一组纹理坐标
 float4 texcoord1 : TEXCOORD1;//顶点的第2组纹理坐标
 float4 texcoord2 : TEXCOORD2;//顶点的第3组纹理坐标
 float4 texcoord3 : TEXCOORD3;//顶点的第4组纹理坐标
#if defined(SHADER_API_XBOX360)
 half4 texcoord4 : TEXCOORD4;//顶点的第5组纹理坐标
 half4 texcoord5 : TEXCOORD5;//顶点的第6组纹理坐标
#endif
 fixed4 color : COLOR;//顶点颜色
};

struct appdata_full {

float4 vertex : POSITION;//模型空间的顶点位置

float4 tangent : TANGENT;//模型空间的顶点切线

float3 normal : NORMAL;//模型空间的顶点法线

float4 texcoord : TEXCOORD0;//顶点的第一组纹理坐标

float4 texcoord1 : TEXCOORD1;//顶点的第2组纹理坐标

float4 texcoord2 : TEXCOORD2;//顶点的第3组纹理坐标

float4 texcoord3 : TEXCOORD3;//顶点的第4组纹理坐标

#if defined(SHADER_API_XBOX360)

half4 texcoord4 : TEXCOORD4;//顶点的第5组纹理坐标

half4 texcoord5 : TEXCOORD5;//顶点的第6组纹理坐标

#endif

fixed4 color : COLOR;//顶点颜色

};

4.SV_POSITION，COLOR0
上面提到了语义，SV_POSITION也是语义。但这个是顶点到片段着色器的语义。顶点到片段着色器的语义列表：

SV_POSITION：裁剪空间坐标，必须包含
COLOR0:输出第一组顶点颜色，可选
COLOR1:输出的第二组颜色，可选
TEXCOORD0-TEXCOORD7:输出纹理坐标，可选

SV_POSITION：裁剪空间坐标，必须包含

COLOR0:输出第一组顶点颜色，可选

COLOR1:输出的第二组颜色，可选

TEXCOORD0-TEXCOORD7:输出纹理坐标，可选

5.UNITY_MATRIX_MVP

Unity 内置的空间变换矩阵，位于HLSLSupport.cginc，上面提到了是自动包含的，所以着色器可以直接使用。其他变换矩阵及其含义，在下一篇会详细介绍！

要想了解每个部分的详细含义及内容，请查看官方文档。

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