Version: 2020.1
教程:ShaderLab 和固定函数着色器
粒子系统

教程: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
}

最后我们介绍一个新命令:__FallBack “VertexLit”Fallback 命令可以在着色器的末尾使用;如果当前着色器中没有__子着色器__可以在用户的图形硬件上运行,该命令会告诉应该使用哪个着色器。效果等同于在结尾包含回退着色器中的所有子着色器。例如,如果您要编写一个花哨的法线贴图着色器,那么您可以回退到内置的 VertexLit__ 着色器,而不必为旧显卡编写一个非常基本的非法线贴图子着色器。

第一个着色器教程中介绍了着色器的基本构建块,同时也提供了关于属性子着色器通道的完整文档。

构建子着色器的一种快速方法是使用在其他着色器中定义的通道。命令 UsePass 就能执行此操作,因此您可以通过简洁的方式重用着色器代码。例如,以下命令使用内置 Specular 着色器中名为“FORWARD”的通道: UsePass “Specular/FORWARD”

要让 UsePass 运行,必须为要使用的通道提供一个名称。通道中的 Name 命令将为其提供名称:__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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