Unity Shader入门教程

Posted 2020-09-29 小江村儿的文杰

参考文献：http://www.360doc.com/content/13/0923/15/12282510_316492286.shtml

 

Unity Shader是着色器，将纹理、网格信息输入，得到材质的一段程序，具体是个什么东西，还需要亲自实践才知道。一个Unity大神推荐我：如果要学计算机图形编程（游戏编程的基础），可以先学习UnityShader，往后再学习OpenGL和DX。不说废话，依我的风格，都是直接看实例，笔者的教程偏向于傻瓜式的，应该适合入门。

 

前提：安装了Unity和VS，并且有3天的Unity使用经验。

 

第一步：打开新工程。在内容浏览器中创建一个Shader。

命名为：

第二步：双击打开查看：

Shader "Custom/Shad0" {
    Properties {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200
        
        CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0

        sampler2D _MainTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        half _Glossiness;
        half _Metallic;
        fixed4 _Color;

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
            // Albedo comes from a texture tinted by color
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            // Metallic and smoothness come from slider variables
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

当然，你一开始看不懂，请逐行逐行看我的解释，下文中的代码和上文中的一样，只是加入了详细的注释：

/*首行声明了一个Shader，命名为Shad0，存放在路径Custom下（这个路径在哪里不是重点，它归类在自定义中），看上去是不是挺像结构体的声明*/
Shader "Custom/Shad0" {

    /*
    在将第一块内容之前，请先去了解一下UV纹理。简单来说：A是一张图片（称A为纹理），B是一张坐标信息（称B为UV），用B来取A就是纹理贴图的精髓了，举个简单的例子：
    A的色彩如下：
    红 黄
    蓝 绿

    B的坐标信息如下：
    （0,0） （1,1）
    （1,1） （0,1）

    那么取出来得到的纹理贴图就是：
    红 绿
    绿 黄

    这样子，是不是很无聊？当这上面的点数达到很大的量级时，就很有意义了。
    没完，你还需要了解镜面高光和金属度的概念，自行百度（或者先跳过这个知识点继续往下看）。
    */

    /*第一块：属性声明*/
    Properties {

        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        /*用_XX的声明方法来声明的变量就是称为属性了，这一句的语法是：
        _XXX (展示名， 数据类型) = 默认值

        展示名是在Unity中可见的名称，Color其实是一种数据类型（就像int那样，只是后者很简单，是基本数据类型）。
        数据类型有哪些（参考上述博文）：
        Color - 一种颜色，由RGBA（红绿蓝和透明度）四个量来定义；
        2D - 一张2的阶数大小（256，512之类）的贴图。这张贴图将在采样后被转为对应基于模型UV的每个像素的颜色，最终被显示出来；
        Rect - 一个非2阶数大小的贴图；
        Cube - 即Cube map texture（立方体纹理），简单说就是6张有联系的2D贴图的组合，主要用来做反射效果（比如天空盒和动态反射），也会被转换为对应点的采样；
        Range(min, max) - 一个介于最小值和最大值之间的浮点数，一般用来当作调整Shader某些特性的参数（比如透明度渲染的截止值可以是从0至1的值等）；
        Float - 任意一个浮点数；
        Vector - 一个四维数；

        请看默认值（1,1,1,1），形如（g,b,a,A），其中的透明度A为0时，表示透明，为1时，表示完全不透明，所以应该称之为不透明度。
        */
        
        
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        /*这里表示一张图片，这张图片在这里仅仅用空白来表示*/
    
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        /*高光设置为.5*/

        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
        /*金属度*/
    }


    /*第二块内容：什么是SubShader，如果你用过虚幻4，就能够很容易理解，其实SubShader对应了UE4中的材质表达式。
    UE4中的材质表达式或者Unity中的shader本质是什么？简单来说就是将图片通过处理得到另一张图片（比如用图片+UV信息 -> 纹理贴图的过程）。
    SubShader其实就是定义了图片处理过程。
    */
    SubShader {
        
        /*Tags规定了混合模型。什么是混合模型？请看下面的附图1，当然，混合模型是UE4中的概念。

附图1：

        这里贴一段相比Unity更为正确的解释：
        Background - 最早被调用的渲染，用来渲染天空盒或者背景
        Geometry - 这是默认值，用来渲染非透明物体（普通情况下，场景中的绝大多数物体应该是非透明的）
        AlphaTest - 用来渲染经过Alpha Test的像素，单独为AlphaTest设定一个Queue是出于对效率的考虑
        Transparent - 以从后往前的顺序渲染透明物体
        Overlay - 用来渲染叠加的效果，是渲染的最后阶段（比如镜头光晕等特效）

        */
        Tags { "RenderType"="Opaque" }


        /*LOD表示细节呈现级别（也即是画质，即粗糙/细腻程度）
        当机器很差的时候，差到其评估值小于200时，本材质无效（也就是本shader罢工）。当机器的性能不错，大于200时，本shader继续工作。就是这么有个性。
        别气馁，下面的内容是最重要的。
        */
        LOD 200
        

        /*这是一个标记：CGPROGRAM，表示这是一段computer graph编程*/
        CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows
            /*请看这个奇怪的函数声明：
            #pragma surface表面着色器 surffunction着色器的代码（在本例子中就是下面的surf） lightModel（光照模型，这个概念先跳过） [可选参数]
            */


        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0


            /*
            用笔者的话来说：sampler2D就是一张图片……（还记得吗，就是上文说的A图片）

            贴一段介绍：
            
            接下来一句sampler2D _MainTex;，sampler2D是个啥？
            其实在CG中，sampler2D就是和texture所绑定的一个数据容器接口。
            等等..这个说法还是太复杂了，简单理解的话，所谓加载以后的texture（贴图）说白了不过是一块内存存储的，
            使用了RGB（也许还有A）通道，且每个通道8bits的数据。而具体地想知道像素与坐标的对应关系，以及获取这些数据，
            我们总不能一次一次去自己计算内存地址或者偏移，因此可以通过sampler2D来对贴图进行操作。
            更简单地理解，sampler2D就是GLSL中的2D贴图的类型，相应的，
            还有sampler1D，sampler3D，samplerCube等等格式。

            解释通了sampler2D是什么之后，
            还需要解释下为什么在这里需要一句对_MainTex的声明，
            之前我们不是已经在Properties里声明过它是贴图了么。
            答案是我们用来实例的这个shader其实是由两个相对独立的块组成的，
            外层的属性声明，回滚等等是Unity可以直接使用和编译的ShaderLab；
            而现在我们是在CGPROGRAM...ENDCG这样一个代码块中，这是一段CG程序。
            对于这段CG程序，要想访问在Properties中所定义的变量的话，必须使用和之前变量相同的名字进行声明！【注意这里！！！】
            于是其实sampler2D _MainTex;做的事情就是再次声明并链接了_MainTex，
            使得接下来的CG程序能够使用这个变量。*/
        sampler2D _MainTex;


        /*这是一个非常简单的结构体，称为Input，其中有一个float2数据类型，这是一个二维float矢量，也就是（a,b）这样的。*/
        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        /*在坚持一下，这里还有几个变量：half类型的两个，fixed4类型的一个，
        half类型表示半精度浮点数，计算性能好但是精度低，和float和double是同类型的浮点数；
        fixed4不详，但是大意是四维的矢量*/
        
        half _Glossiness;//必须使用和之前变量相同的名字进行声明！【注意这里！！！】

        half _Metallic;//必须使用和之前变量相同的名字进行声明！【注意这里！！！】
        
        fixed4 _Color;//必须使用和之前变量相同的名字进行声明！【注意这里！！！】

        /*核心的处理函数：surf，输入一张二维浮点信息，也即是上面的uv_MainTex，
        输出一个o表示材质（inout像c++里面的按照引入传入，虽说没有返回，但是也有信息传出的效果）*/
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
            // Albedo comes from a texture tinted by color
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            /*看这里：tex2D就是前面说的"利用UV去取图片获得纹理贴图"的做法，然后再乘以_Color，
            
            这里用到了乘法的颜色算法，自己体会（这个_Color默认值为1，1，1，1，所以默认下不影响）
            笔者到这里可以知道：fixed4表示一种四维矢量（用来表示颜色就挺合适的。此外，它是定点型小数而非浮点型小数）
            */


            o.Albedo = c.rgb;
            /* inout SurfaceOutputStandard o
            这个结构有哪些包含的变量呢：
            struct SurfaceOutput {
                half3 Albedo;     //像素的颜色
                half3 Normal;     //像素的法向值
                half3 Emission;   //像素的发散颜色
                half Specular;    //像素的镜面高光
                half Gloss;       //像素的发光强度
                half Alpha;       //像素的透明度
            };
            */

            // Metallic and smoothness come from slider variables
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
            /*结束CG编码*/
    }
    FallBack "Diffuse"
        //这里还不太明白，先放着。
}

第三步：看完之后再重新看看没有注释的代码，整理十分钟，然后继续。

第四步：那篇参考的教程到这里就完了，我补上结尾：

导入一张图片:

第五步：创建材质Material，

在细节里面选择shader：

是不是很懵逼，为什么要这么做？还记得吗，shader的本质是将图片转化为Material的算法。

 

第六步：选择一张图片：

 

 

然后在右下方看到效果：（点箭头处切换预览样式）

第七步：随便新建一些物体，然后放入这个材质：

等等：好像没有反应？因为没有光线，加入直射光即可看到效果：

——原创 小江村儿的文杰 [e-mail] 2017年7月21日22:29:44