unity shader可视化工具——Shader Graph

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了unity shader可视化工具——Shader Graph相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

unity shader可视化工具——Shader Graph


前言

使用Shader Graph来制作着色器具有简化着色器制作过程和着色效果编译显示快的优点。当前,Shader Graph中支持通用渲染管线(URP,Universal Render Pipeline。unity2019.3以前的版本命名为LWRP)和高清渲染管线(HDRP,High Definition Render Pipeline。URP这种渲染管线性能消耗较低,能支持在手机端的的硬件性能消耗,几乎适用于所有平台,而Height Render Pipeline比较适合与PC端和计算性能较好的平台。

ShadeGraph官方示例GitHub地址.


一、Shader Graph介绍

什么是Shader Graph?

Shader Graph是在Unity2018版本之后推出的一款可以实时通过可视化界面的节点连接来实现着色器的创建及编辑的可编程式渲染管线工具。在项目中使用该工具包前需要先安装好,除此还应该安装好对应的渲染管线工具包和创建及配置对应的渲染管线文件。

二、Shader Graph安装配置

1、新工程中使用Shader Graph

方法一:

  • 打开unity编辑器时,在创建项目时,选择High Definition Render Pipeline或者Universal Render Pipeline任一模板来创建项目(使用哪种渲染管线根据自己的项目决定,通常大部分人使用Universal Render Pipeline居多)。这种方式创建出来的项目,打开后就能直接使用Shader Graph,不用再进行任何的配置。

  • 新建Shader Graph的 Shader 文件
    在项目资源中右键—Creat—Shader—X-Graph(分别是PBR Graph、Sub Graph、Unlit Graph),命名好创建的shader文件。
    PBR Graph: PBR,基于物理的渲染
    Sub Graph :子图,用于创建一些可复用的节点
    Unlit Graph :不受光照的,无光照的

  • 打开Shader Graph编辑面板
    双击使用shader Graph创建的shader文件就可以打开shader Graph的编辑面板,就能在面板中进行shader节点的操作了。

方法二:

  • 创建工程
    创建一个空的unity项目(默认的3D模板)。
  • 安装Shader Graph
    在unity中,打开window—Package Manage,如果在Package Manages中找不到shader Graph,就在Package Manages中点击Advanced—show Preview Packages等待加载后就能找到Shader Graph,点击Install安装即可。
  • 安装渲染管线
    同样在unity的Package Manage中找到High Definition RP或者Universal RP两者任一渲染管线点击Install安装。
  • 配置渲染管线
    在unity中,右键—crate—Rendering—Universal Render Pipeline—Pipeline Asset(Forward Renderer),命名好该文件。
    再Edit—Project Settings,在Project Settings中的Graphics中将刚才创建的SRP文件设置到这里来即可。

2、旧工程中使用Shader Graph

注意:为了避免项目出现不可逆错误,建议在更改项目前,先复制备份好原先的项目。

  • 安装Shader Graph和渲染管线包,以及配置。
    根据上面新工程中方法二中的方式在unity Package Manage中安装好Shader Graph和Universal RP(或者High Definition RP)。
    创建Pipeline Asset,以及在Project Settings中的Graphics中设置SRP的配置文件即可。(详细见上述新工程中方法二)
  • 升级材质
    随后,会发现场景中的材质都会变为洋红色。
    Edit—Render Pipeline—Universal Render Pipeline—upgrade project Materials to Universal RP Materials,等待转换材质,完成后材质就恢复好了。

三、Shader Graph详解

1、Shader Graph基本操作

创建节点:在空白区右键——creat Node(或者空格键),选择自己想到的节点进行创建
复制节点:选择要复制的节点ctrl+D 或者先ctrl+c,在ctrl+v
居中显示节点:按F键
保存shader:ctrl+S 或者编辑器中的Save Asset
上下左右移动编辑器窗口视图:按住鼠标中键移动
缩小编辑器窗口视图:鼠标滚轮
创建属性/节点后,在连接面板中拖出连接线到空白处松手,就能跳出该节点可以与哪些节点相连接

2、Shader Graph窗口

属性窗口
myshader01是该shader名;
属性名字:color为该属性名(图中第一个属性名为color)是显示在材质面板上的名字
expose:是否在材质面板中显示该属性
Reference:Reference中的命名是使用代码来找到这个属性的变量命,脚本中通过该变量名修改材质的属性。
default:相当于属性默认的值
mode:为贴图默认的形式
Precision:为节点的精度

Main Preview窗口(预览窗口)

在预览窗口中,可以实时预览shader效果。鼠标左键可以旋转模型查看效果;右键可以更改效果显示的模型,有默认的球状、正方体胶囊体等还可以使用自定义的网格模型预览。
PBR Master(基于物理渲染)

PBR (Physically Based Rendering,基于物理渲染),其中有两种工作流(workflow),一种是Metakkic(金属度),一个是Specular(高光)。Specular setup 和 Metallic setup 都会产生镜面高光,金属度只有明度的区别;高光颜色可以带有其他的颜色。

3、Shader Graph节点

属性节点

属性使用工作流:创建属性后,将属性拖出编辑器中作为一个节点,连接到输出接口使用

  • Vector1
    Mode:Default、slider(滑动条)、Integer(整数,只能读取整数)
  • 多元向量Vector2,Vector3,Vector4
    数值对应X、Y、Z、W
  • Color
    Mode:Default、HDR
    Texture 2D(U、V二维)
    默认值为一张贴图接口,可在编辑面板中直接赋予贴图。Texture2D拖到面板中后,要与创建Sample Texture 2D节点连接(需要采样贴图信息),才能输出。
    Mode:White、Black、Grey、Bump(如果贴图为法线贴图需要将模式改为Bump)
  • Texture 2DArray 贴图数组
    几张贴图串在一起作为贴图、序列帧贴图
  • Texture 3D(U、V、W三维)
    需要创建Sample Texture 3D相连接
  • Cubemap
    需要创建Sample Cubemap节点进行采样
  • Boolean
    用来控制开关Ture/False

其他节点
在Shader Graph编辑器中空白区右键——creat Node(或者空格键),选择自己想要的节点进行创建。

四、unity shader可视化工具比较

Shader Graph、Shader Forge 和 Amplify Shader Editor

  • Shader Graph属于unity内置的着色器可视化的工具,因此会更加的简便。并且有个说法叫既然官方有自己的shader可视化编辑器,那当然是用官方自己的了可视化编辑器了。
  • Shader Forge 和 Amplify Shader Editor都是从资源商店就能获取的unity 资源包,且不是free的。这两者的功能都比Shader Graph多,体现在节点更多,因此可自定义的东西也会更加丰富。但目前Shader Forge已经停止更新包内容了(并且我自己试用该资源包的时候打开有报错"实例化对象为null",导致无法打开Shader Forge的编辑器面板,具体如何解决这个错误还没解决,不知道是不是就我这样子,或许是版本不对应的问题 )。如果目前要在两种中选一个的话,更加推荐使用Amplify Shader Editor。
  • Shader Forge 和 Amplify Shader Editor这两个都能通过节点连接的方式自定义光照模型,但Shader Graph就没有能自定义光照模型,因为Shader Graph中没有光照相关的节点,并且Shader Graph只有两种一种PBR和无光照两种shader模板。
  • unity shader可视化工具在实现效果的时候是更加的快捷方便,很容易就出效果了。但是节点过多也会导致项目的性能变差,因此使用unity shader可视化工具来快速实现效果还是可以的,在实际项目中更加推荐手写shader代码。
  • 别想着有shader可视化工具就可以不学习手写shader代码,如果不了解shader底层基础知识,即使有节点式的shader可视化工具也是不会进行shader开发的。这就好比有shader可视化是开车,手写代码是走路,要说速度快肯定是开车;但说哪个起到运动作用还得是走路的方式。

Unity ShaderLab学习总结

Unity ShaderLab学习总结

Why Bothers?

为什么已经有ShaderForge这种可视化Shader编辑器、为什么Asset Store已经有那么多炫酷的Shader组件可下载,还是有必要学些Shader的编写?
技术分享

  • 因为上面这些Shader工具/组件最终都是以Shader文件的形式而存在。
  • 需要开发人员/技术美术有能力对Shader进行功能分析、效率评估、选择、优化、甚至是Debug。
  • 对于特殊的需求,可能还是直接编写Shader比较实际、高效。

总之,Shader编写是重要的;但至于紧不紧急,视乎项目需求。

参考资源

  • Youtube:https://www.youtube.com/watch?v=hDJQXzajiPg (包括part1-6)。视频是最佳的学习方式没有之一,所以墙裂建议就算不看下文的所有内容,都要去看一下part1。
  • 书籍:《Unity 3D ShaderLab开发实战详解》
  • Unity各种官方文档

涉及范围

本文只讨论Unity ShaderLab相关的知识和使用方法。但,

使用Shader

技术分享
如上图,一句话总结:
1. GameObject里有MeshRenderer,
2. MeshRenderer里有Material列表,
3. 每个Material里有且只有一个Shader;
4. Material在编辑器暴露该Shader的可调属性。
所以关键是怎么编写Shader。

Shader基础

编辑器

使用MonoDevelop这反人类的IDE来编写Shader居然是让人满意的。有语法高亮,无语法提示。
如果习惯VisualStudio,可以如下实现.Shader文件的语法高亮。

  • 下载作者donaldwu自己添加的关键词文件usertype.dat。其包括了Unity ShaderLab的部分关键字,和HLSL的所有关键字。关键字以后持续添加中。
  • 将下载的usertype.dat放到Microsoft Visual Studio xx.x\CommonX\IDE\文件夹下;
  • 打开VS,工具>选项>文本编辑器>文件扩展名,扩展名里填“shader”,编辑器选VC++,点击添加;
  • 重启VS,Done。

Shader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    // ...
}

技术分享
Shader的名字会直接决定shader在material里出现的路径

SubShader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
    SubShader
    {
        //...
    }
}

一个Shader有多个SubShader。一个SubShader可理解为一个Shader的一个渲染方案。即SubShader是为了针对不同的显卡而编写的。每个Shader至少1个SubShader、理论可以无限多个,但往往两三个就足够。
SubShader和显卡的兼容性判断,和SubShader的标签、Pass的标签和显卡支持的“Unity渲染路径”有关。这些都会在下面逐一提到。

SubShader的Tag

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
    SubShader
    {
        Tags { "Queue"="Geometry+10" "RenderType"="Opaque" }
        //...
    }
}

SubShader内部可以有标签(Tags)的定义。Tag指定了这个SubShader的渲染顺序(时机),以及其他的一些设置。

  • "Queue"标签。定义渲染顺序。预制的值为
    • "Background"。值为1000。比如用于天空盒。
    • "Geometry"。值为2000。大部分物体在这个队列。不透明的物体也在这里。这个队列内部的物体的渲染顺序会有进一步的优化(应该是从近到远,early-z test可以剔除不需经过FS处理的片元)。其他队列的物体都是按空间位置的从远到近进行渲染。
    • "AlphaTest"。值为2450。已进行AlphaTest的物体在这个队列。
    • "Transparent"。值为3000。透明物体。
    • "Overlay"。值为4000。比如镜头光晕。
    • 用户可以定义任意值,比如"Queue"="Geometry+10"
  • "RenderType"标签。Unity可以运行时替换符合特定RenderType的所有Shader。Camera.RenderWithShader或者Camera.SetReplacementShader配合使用。Unity内置的RenderType包括:
    • "Opaque":绝大部分不透明的物体都使用这个;
    • "Transparent":绝大部分透明的物体、包括粒子特效都使用这个;
    • "Background":天空盒都使用这个;
    • "Overlay":GUI、镜头光晕都使用这个;
    • 还有其他可参考Rendering with Replaced Shaders;用户也可以定义任意自己的RenderType字符串。
  • "ForceNoShadowCasting",值为"true"时,表示不接受阴影。
  • "IgnoreProjector",值为"true"时,表示不接受Projector组件的投影。

Pass

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
    SubShader {
        Pass
        {
            //...
        }
    }
}

一个SubShader(渲染方案)是由一个个Pass块来执行的。每个Pass都会消耗对应的一个DrawCall。在满足渲染效果的情况下尽可能地减少Pass的数量。

Pass的Tag

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {
    SubShader {
        Pass
        {
            Tags{ "LightMode"="ForwardBase" }
            //...
        }
    }
}

和SubShader有自己专属的Tag类似,Pass也有Pass专属的Tag。
其中最重要Tag是 "LightMode",指定Pass和Unity的哪一种渲染路径(“Rendering Path”)搭配使用。这里需要描述的Tag取值可包括:

  • Always,永远都渲染,但不处理光照
  • ShadowCaster,用于渲染产生阴影的物体
  • ShadowCollector,用于收集物体阴影到屏幕坐标Buff里。

其他渲染路径相关的Tag详见下面章节“Unity渲染路径种类”。
具体所有Tag取值,可参考ShaderLab syntax: Pass Tags

FallBack

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{
    SubShader { Pass {} }

    FallBack "Diffuse" // "Diffuse"即Unity预制的固有Shader
    // FallBack Off //将关闭FallBack
}

当本Shader的所有SubShader都不支持当前显卡,就会使用FallBack语句指定的另一个Shader。FallBack最好指定Unity自己预制的Shader实现,因其一般能够在当前所有显卡运行。

Properties

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {
    _Range ("My Range", Range (0.02,0.15)) = 0.07 // sliders
    _Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color
    _2D ("My Texture 2D", 2D) = "" {} // textures
    _Rect("My Rectangle", Rect) = "name" { }
    _Cube ("My Cubemap", Cube) = "name" { }
    _Float ("My Float", Float) = 1
    _Vector ("My Vector", Vector) = (1,2,3,4)
    }

    // Shader
    SubShader{
        Pass{
          //...
          uniform float4 _Color;
          //...
          float4 frag() : COLOR{ return fixed4(_Color); }
          //...
          }
    }

    //fixed pipeline
    SubShader    {
        Pass{
            Color[_Color]
        }
    }
}
  • Shader在Unity编辑器暴露给美术的参数,通过Properties来实现。
  • 所有可能的参数如上所示。主要也就Float、Vector和Texture这3类。
  • 除了通过编辑器编辑Properties,脚本也可以通过Material的接口(比如SetFloatSetTexture编辑)
  • 之后在Shader程序通过[name](固定管线)或直接name(可编程Shader)访问这些属性。

Shader中的数据类型

有3种基本数值类型:floathalffixed
这3种基本数值类型可以再组成vector和matrix,比如half3是由3个half组成、float4x4是由16个float组成。

  • float:32位高精度浮点数。
  • half:16位中精度浮点数。范围是[-6万, +6万],能精确到十进制的小数点后3.3位。
  • fixed:11位低精度浮点数。范围是[-2, 2],精度是1/256。

数据类型影响性能

  • 精度够用就好。
    • 颜色和单位向量,使用fixed
    • 其他情况,尽量使用half(即范围在[-6万, +6万]内、精确到小数点后3.3位);否则才使用float
  • 不要将低精度fixed类型转换为更高的精度,否则会产生性能问题。
  • 低精度fixed不要使用“swizzle”(即形如myFixed4.xyzwmyFixed2.xyxy,中文不知咋译,“搅和
    访问”?),否则会产生性能问题。

    作者donaldwu说:swizzle在编写Shader里是经常用到的,但到底怎样才算swizzle?myFixed4.x算不算?myFixed4.xyzw算不算?myFixed4.xyxy算不算?还是都算?
    这个目前没有找到权威的定义,所以为了不要影响效率,建议fixed尽量不要出现上面任意一种形式。

Shader形态

Shader形态之1:固定管线

固定管线是为了兼容老式显卡。都是顶点光照。之后固定管线可能是被Unity抛弃的功能,所以最好不学它、当它不存在。特征是里面出现了形如下面Material块、没有CGPROGRAMENDCG块。

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {
    _Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color
    }

    // Fixed Pipeline
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Material{
            Diffuse [_Color]
            Ambient [_Color]
            }

            Lighting On
        }
    }
}

Shader形态之2:可编程Shader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {}

    SubShader
    {
        Pass
        {
          // ... the usual pass state setup ...

          CGPROGRAM
          // compilation directives for this snippet, e.g.:
          #pragma vertex vert
          #pragma fragment frag

          // the Cg/HLSL code itself
          float4 vert(float4 v:POSITION) : SV_POSITION{
              return mul(UNITY_MATRIX_MVP, v);
          }
          float4 frag() : COLOR{
              return fixed4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
          }
          ENDCG
          // ... the rest of pass setup ...
          }
    }
}
  • 功能最强大、最自由的形态。
  • 特征是在Pass里出现CGPROGRAMENDCG
  • 编译指令#pragma。详见官网Cg snippets。其中重要的包括:
编译指令示例/含义
#pragma vertex name
#pragma fragment name
替换name,来指定Vertex Shader函数、Fragment Shader函数。
#pragma target name 替换name(为2.03.0等)。设置编译目标shader model的版本。
#pragma only_renderers name name ...
#pragma exclude_renderers name name...
#pragma only_renderers gles gles3
#pragma exclude_renderers d3d9 d3d11 opengl
只为指定渲染平台(render platform)编译
  • 引用库。通过形如#include "UnityCG.cginc"引入指定的库。常用的就是UnityCG.cginc了。其他库详见官网Built-in shader include files
  • ShaderLab内置值。Unity给Shader程序提供了便捷的、常用的值,比如下面例子中的UNITY_MATRIX_MVP就代表了这个时刻的MVP矩阵。详见官网ShaderLab built-in values
  • Shader输入输出参数语义(Semantics)。在管线流程中每个阶段之间(比如Vertex Shader阶段和FragmentShader阶段之间)的输入输出参数,通过语义字符串,来指定参数的含义。常用的语义包括:COLORSV_PositionTEXCOORD[n]。完整的参数语义可见HLSL Semantic(由于是HLSL的连接,所以可能不完全在Unity里可以使用)。
  • 特别地,因为Vertex Shader的的输入往往是管线的最开始,Unity为此内置了常用的数据结构:
数据结构含义
appdata_base vertex shader input with position, normal, one texture coordinate.
appdata_tan vertex shader input with position, normal, tangent, one texture coordinate.
appdata_full vertex shader input with position, normal, tangent, vertex color and two texture coordinates.
appdata_img vertex shader input with position and one texture coordinate.

Shader形态之3:SurfaceShader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"
{
    Properties {   }

    // Surface Shader
    SubShader {
      Tags { "RenderType" = "Opaque" }
      CGPROGRAM
      #pragma surface surf Lambert
      struct Input {
          float4 color : COLOR;
      };
      void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
          o.Albedo = 1;
      }
      ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}
  • SurfaceShader可以认为是一个光照Shader的语法糖、一个光照VS/FS的生成器。减少了开发者写重复代码的需要。
  • 在手游,由于对性能要求比较高,所以不建议使用SurfaceShader。因为SurfaceShader是一个比较“通用”的功能,而通用往往导致性能不高。
  • 特征是在SubShader里出现CGPROGRAMENDCG块。(而不是出现在Pass里。因为SurfaceShader自己会编译成多个Pass。)
  • 编译指令是:
    #pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]
    • surfaceFunction:surfaceShader函数,形如void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
    • lightModel:使用的光照模式。包括Lambert(漫反射)和BlinnPhong(镜面反射)。
      • 也可以自己定义光照函数。比如编译指令为#pragma surface surf MyCalc
  • 你定义输入数据结构(比如上面的Input)、编写自己的Surface函数处理输入、最终输出修改过后的SurfaceOutput。SurfaceOutput的定义为
    struct SurfaceOutput {
      half3 Albedo; // 纹理颜色值(r, g, b)
      half3 Normal; // 法向量(x, y, z)
      half3 Emission; // 自发光颜色值(r, g, b)
      half Specular; // 镜面反射度
      half Gloss; // 光泽度
      half Alpha; // 不透明度
    };

Unity渲染路径(Rendering Path)种类

概述

开发者可以在Unity工程的PlayerSettings设置对渲染路径进行3选1:

  • Deferred Lighting,延迟光照路径。3者中最高质量地还原光照阴影。光照性能只与最终像素数目有关,光源数量再多都不会影响性能。
  • Forward Rendering,顺序渲染路径。能发挥出Shader全部特性的渲染路径,当然也就支持像素级光照。最常用、功能最自由,性能与光源数目*受光照物体数目有关,具体性能视乎其具体使用到的Shader的复杂度。
  • Vertex Lit,顶点光照路径。顶点级光照。性能最高、兼容性最强、支持特性最少、品质最差。

渲染路径的内部阶段和Pass的LightMode标签

每个渲染路径的内部会再分为几个阶段。
然后,Shader里的每个Pass,都可以指定为不同的LightMode。而LightMode实际就是说:“我希望这个Pass在这个XXX渲染路径的这个YYY子阶段被执行”。

Deferred Ligting

渲染路径内部子阶段对应的LightMode描述
Base Pass "PrepassBase" 渲染物体信息。即把法向量、高光度到一张ARGB32的物体信息纹理上,把深度信息保存在Z-Buff上。
Lighting Pass 无对应可编程Pass 根据Base Pass得出的物体信息,在屏幕坐标系下,使用BlinnPhong光照模式,把光照信息渲染到ARGB32的光照信息纹理上(RGB表示diffuse颜色值、A表示高光度)
Final Pass "PrepassFinal" 根据光照信息纹理,物体再渲染一次,将光照信息、纹理信息和自发光信息最终混合。LightMap也在这个Pass进行。

Forward Rendering

渲染路径内部子阶段对应的LightMode描述
Base Pass "ForwardBase" 渲染:最亮一个的方向光光源(像素级)和对应的阴影、所有顶点级光源、LightMap、所有LightProbe的SH光源(Sphere Harmonic,球谐函数,效率超高的低频光)、环境光、自发光。
Additional Passes "ForwardAdd" 其他需要像素级渲染的的光源

注意到的是,在Forward Rendering中,光源可能是像素级光源、顶点级光源或SH光源。其判断标准是:

  • 配制成“Not Important”的光源都是顶点级光源和SH光源
  • 最亮的方向光永远都是像素级光源
  • 配置成“Important”的都是像素级光源
  • 上面2种情况加起来的像素级光源数目小于“Quality Settings”里面的“Pixel Light Count”的话,会把第1种情况的光源补为额外的像素级光源。

另外,配置成“Auto”的光源有更复杂的判断标注,截图如下:

技术分享
具体可参考Forward Rendering Path Details

Vertex Lit

渲染路径内部子阶段对应的LightMode描述
Vertex "Vertex" 渲染无LightMap物体
VertexLMRGBM "VertexLMRGBM" 渲染有RGBM编码的LightMap物体
VertexLM "VertexLM" 渲染有双LDR编码的LightMap物体

不同LightMode的Pass的被选择

一个工程的渲染路径是唯一的,但一个工程里的Shader是允许配有不同LightMode的Pass的。
在Unity,策略是“从工程配置的渲染路径模式开始,按Deferred、Forward、VertxLit的顺序,搜索最匹配的LightMode的一个Pass”。
比如,在配置成Deferred路径时,优先选有Deferred相关LightMode的Pass;找不到才会选Forward相关的Pass;还找不到,才会选VertexLit相关的Pass。
再比如,在配置成Forward路径时,优先选Forward相关的Pass;找不到才会选VertexLit相关的Pass。

 

以上是关于unity shader可视化工具——Shader Graph的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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unity怎么编辑shader

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