深入URP之Shader篇1: URP Shader概述

Posted 2023-03-31 n5

关于本系列

使用和学习研究Unity URP已经两年多了，最近也一直在做基于URP的项目的Shader优化工作。发现学习研究URP的Shader代码是理解URP渲染机制的一个非常好的方式，因为无论渲染管线如何架构，Unity内置的渲染机制如何设计，最终都要落在Shader代码上去将这一切渲染出来。在研读URP以及SRP Core的Shader代码的过程中，经常会有原来如此的感叹，这样会对Unity/URP的渲染机制有更清晰和更深刻的认识。另一方面，URP/SRP自带的Shader代码是我们学习写SRP自定义Shader的非常好的材料，URP Shader代码中会调用URP Shader Library和SRP Shader Library中的Shader代码，这些代码是Unity提炼出来的公共核心代码，很好的掌握它们的使用，可以让我们写自己的Shader更加轻松，并且增强Shader的可读性。本系列文章以分析URP自带的Shader代码为线索，并一路挖掘相关的Library代码，以及这背后的渲染机制。同时本系列文章也会用一定篇幅讲解如何编写自定义的Shader代码，并兼容于SRP Batcher和GPU Instancing。

URP Shader简介

我们知道，URP和HDRP都是基于SRP的，尽管现在可以使用Shader Graph编写Shader，但是手写Shader仍然是有一定的优势，特别是在性能方面，手写Shader可以更极致的优化，因此我们在项目中前期都是直接使用Shader Graph编写Shader,项目后期会改成手写Shader来提高性能。而在SRP中手写Shader，我们仍然使用的是Shader Lab，这个结构并没有太大的变化，但是SRP Shader中使用Shader Lab语言还是有几点不同。

• 首先，我们使用 HLSL 而不是 CG语言，尽管这不是强制的，但是HLSL是官方推荐的，并且URP的Shader都是HLSL编写的，包括Shader Library中的核心公共代码。因此在编写SRP Shader时，HLSL是最佳选择。
• SubShader的Tags，需要指定RenderPipeline，例如"RenderPipeline" = "UniversalPipeline"表示这是一个URP的Shader。

    SubShader
    
        Tags "RenderType" = "Opaque" "IgnoreProjector" = "True" "RenderPipeline" = "UniversalPipeline" "ShaderModel"="4.5"
    

• Pass的Tags中的LightMode和内置流水线不同，这是由于URP的渲染管线和内置管线不同，在内置管线中，LightMode表示了这个Pass处于管线中处理光照的哪个步骤，例如ForwardBase,ForwardAdd分别是前向流水线中的主光照pass和附加逐像素光照pass。而URP中，我们经常使用的有SRPDefaultUnlit,UniversalForward,ShadowCaster，DepthOnly等pass。这些LightMode表示了管线中不同步骤(pass)使用的Shader Pass。具体可参考文档URP ShaderLab Pass tags
• 为了兼容SRP Batcher，Shader需要采用一些特殊的写法。简单来说，就是对于Properties中的属性，需要放到特定的CBuffer中，这个CBuffer的名字为UnityPerMaterial。另外对于Unity的内置属性，要放到UnityPerDraw的CBuffer中，且符合Unity的规则，这个我们在分析URP Shader代码时会看到。
• 再提一个，如果要支持GPU Instancing，Shader代码还要使用另外的一组宏来修改，使得可以支持Instancing。这组宏其实也是支持SRP Batcher的，这个会有一篇文章详细说明。

URP Shader框架

在结束本篇之前，我们来看一个简单的URP Shader框架，以便对于URP Shader的整体结构有一个具体的认识。

Shader "Custom/URPShaderTemplate" 
    Properties 
        _BaseMap ("Main Texture", 2D) = "white" 
        _BaseColor ("Tine Colour", Color) = (1, 1, 1, 1)       
    
    SubShader  
        Tags  "RenderType"="Opaque"
        "Queue"="Geometry"
        "RenderPipeline"="UniversalPipeline" 
         
        HLSLINCLUDE
        
        ENDHLSL
         
        Pass 
            Name "Example"
            Tags  "LightMode"="UniversalForward" 
             
            HLSLPROGRAM
            
            ENDHLSL
        
    

这个结构中包含了Properties, SubShader, Pass三件套，我们注意到HLSL代码除了是写在Pass中之外，还可以写在SubShader中，一般这儿会include一些公共代码。这个结构很简单，没有处理SRP Batcher兼容。下篇中，我们将分析真正的URP Shader: Unlit.shader。

基础的Unity URP Shader

Shader "BaseURPShader"

    Properties
    
        _Color("Color",COLOR)=(1,1,1,1)
        _MainTex("MainTex",2D)="white"
    
    
    SubShader
    
        Tags
        
            "RenderPipeline"="UniversalPipeline"//渲染管线标记，标注当前SubShader是给URP渲染管线使用的
            "RenderType"="Opaque"//渲染方式为不透明
            "UniversalMaterialType" = "Unlit"
            "Queue"="Geometry"
        
        Pass //主Pass
        
            Name "Pass"
            Tags
            
                // LightMode: <None>
            
            Cull Back
            Blend One Zero
            ZTest LEqual
            ZWrite On
            HLSLPROGRAM
            #pragma target 4.5
            //只在以下平台进行编译
            //#pragma exclude_renderers gles gles3 glcore
            //定义顶点着色器
            #pragma vertex vert
            //定义片段着色器
            #pragma fragment frag
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Color.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/TextureStack.hlsl"
         
            //顶点着色器的输入（模型的数据信息）类似于appdate
            struct Attributes
            
                float3 positionOS : POSITION;
                float2 uv:TEXCOORD; 
            ;
            //顶点着色器输出
            struct Varyings
            
                float4 positionCS : SV_POSITION;
                float2 uv:TEXCOORD0;
                
            ;
            CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
            half4 _Color;
            float4 _MainTex_ST;
            TEXTURE2D(_MainTex);//纹理的定义，如果是编译到GLES2.0平台，则相当于sampler2D _MainTex;否则就相当于Texture2D _MainTex
            SAMPLER(sampler_MainTex);//采样器的定义，如果是编译到GLES2.0平台,就相当于空，否则就相当于SamplerState sampler_MainTex
            // SAMPLER(SamplerState_Point_Repeat);根据传入的名称选择采样模式,比如该传入的名称代表贴图采样的Wrap Mode为Repeat,Fiter Mode为Point
           
            
            CBUFFER_END
            
            //v2f vert(appdata v)
            //顶点着色器      
            Varyings vert(Attributes v)
            
                Varyings o = (Varyings)0;
                float3 positionWS=TransformObjectToWorld(v.positionOS);
                o.positionCS=TransformWorldToHClip(positionWS);
                o.uv=TRANSFORM_TEX(v.uv,_MainTex);
                return o;
            

            //fixed4 frag(v2f i):SV_TARGET
            //片断着色器
            half4 frag(Varyings i) : SV_TARGET 
              
                half4 c;
                half4 mainTex=SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex,sampler_MainTex,i.uv);
                c=mainTex*_Color;
                return c;
            
            ENDHLSL
           
    
    FallBack "Hidden/Shader Graph/FallbackError"