unity shader入门指南与总结
发表于2016-11-09
作者学习shader已经有很长一段时间了，这篇文章是对shader的整理和总结。shader的世界缤纷多彩，浩瀚无穷，作者的认识只是弥勒山下的一粒沙子，如沧海一粟，希望次文章可以对您有所帮助，那便是作者最大的欣慰！
学习资料和工具推荐：
古人有云：工欲善其事必先利其器！
书籍：
《Unity Shaders and Effects Cookbooks》作者读的第一本书
《GPU 编程与CG 语言之阳春白雪下里巴人》可以帮助你了解硬件，此书作者水平很高
《Real-Time Rendering.3rd》经典之作，不过不适合入门
《Unity shader入门精要》一个女孩写的书，适合大部分想要学unity shader的初学者
《untiy3d ShaderLab实战详解》适合入门unity shader
《3D数学基础：图形与游戏开发》如果真的想学好shader，学数学是必须的，这是我觉得比较系统全面，并且适合入门的数学书籍
《GPU编程精粹》系列 这个大神可以试试，初学者不太适合学习
《Unity5.X从入门到精通》shader章节 相信官方的水平
书籍暂且推荐这些，其实还有很多，如果需要可以互相交流。
博客和教学资料：
学习资料暂时这些，如果有更好的欢迎补充
逆天工具：
Shader Forge
编写shader的可视化编辑器，使编写shader难度大大减少，也方便开发者理解shader，大大增加开发的效率，适合初学者（一般大神都鄙视这个工具，大神都是用手写）
Shader Forge教学视频百度网盘 vs2013自动补全代码，语法高亮显示插件
相信大部分开发者已经用惯了VS，但是VS居然不支持shader代码高亮和自动补全，这个是无法容忍的事，好在作者混迹github多年，上面奇人异事很多，故而找到这个插件。
shader基础
概念：Shader（着色器）实际上就是一小段程序，它负责将输入的Mesh（网格）以指定的方式和输入的贴图或者颜色等组合作用，然后输出。绘图单元可以依据这个输出来将图像绘制到屏幕上。输入的贴图或者颜色等，加上对应的Shader，以及对Shader的特定的参数设置，将这些内容（Shader及输入参数）打包存储在一起，得到的就是一个Material（材质）。之后，我们便可以将材质赋予合适的renderer（渲染器）来进行渲染（输出）了。
Shader只是一段规定好输入（颜色，贴图等）和输出（渲染器能够读懂的点和颜色的对应关系）的程序。而Shader开发者要做的就是根据输入，进行计算变换，产生输出而已。
如图：
可以总结成一句话：
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，关键是如何编写shader。
unity自建shader说明：
Standard surface shader会产生一个包含了标准关照模型（使用了unity5中新添加的基于物理的渲染方法）的表面着色器模板（为我们提供了典型的表面着色器的实现方法）
Unity shader则会产生一个不包含关照（但包含雾效）的基本的顶点/片元着色器
Image effect shader则为我们实现各种屏幕后处理效果提供了一个基本的模板
Compute shader会产生一种特殊的shader文件，这类shader目的是利用GPU的并行性来进行一些与常规渲染流水线无关的计算。
Unity Shader文件操作说明：
show generated code 对于表面着色器，我们通过单击show generated code按钮来打开一个新的文件，在该文件里将显示unity在背后为该表面着色器生成的顶点/片元着色器。
Compile and show code 下拉列表可以让开发者检查该unity shader针对的不同图像编程接口（如opebgl ,d3d9,d3d11等）最终编译成的shader代码,我们可以利用这些代码来分析和优化着色器。
Unity内置shader文件分析：
CGIncludes文件夹中包含了所有的内置包含文件
DefaultResources文件夹中包含了一些内置组件或功能所需要的unity shader，例如一些GUI元素使用的shader
DefaultResourcesExtra则包含了所有unity中内置的shader
Editor文件夹目前只包含一个脚本文件，它用于定义unity5引入的standard shader所用的材质面板
（可以到官网下载内置文件：https://unity3d.com/cn/get-unity/download/archive）
Unity Shader的结构
在unity里面，我们写shader，用到的是ShaderLab。ShaderLab是unity提供的编写unity shader的一种说明性语言。
基础结构如下:
简单点，可以总结成一下图片：
shader的名字：
每个Unity Shader文件的第一行都需要通过Shader语义来定义该Shader的名字。
shader的属性：
在Properties语义块中包含了一系列的属性，这些属性将会显示在材质面板中。
Properties的语义块的形式通常如下：
其中的_Color就是表示属性的名字，而"Main Color"则表示在材质面板上出现的名字，Color则是为属性定义的类型，Default Value表示我们为属性设置的默认值，在我们第一次把Unity Shader赋给一个材质时，材质面板上显示的就是他的默认值。
以上的类型可以规为以下几类：
数字类型：他们的默认值即为数据，如Int.Float.Range
四维向量：他们的默认值是用圆括号包围的一个四维向量，如Color.Vector
纹理类型：他们的默认值是一个字符串后面跟一个花括号来指定的，其中的字符串要么是空的要么是内置的纹理的名称，如"black", "white"等，花括号的用处原本是用于指定一些纹理属性的，但是在Unity5.0后的版本中这些选项被移除了。
具体代码如下：
Properties语义块的作用仅是为了让这些属性可以出现在材质面板中：
SubShader
设置渲染状态：
ShaderLab提供了一系列渲染状态的设置指令，这些指令可以设置显卡的各种状态，如开启混合/深度测试，具体选项如下。
标签：
SubShader的标签是一个键值对，它的键和值都是字符串类型，这些键值对是SubShader与渲染引擎之间的沟通桥梁。标签的结构如下：
Tags { " TagName1 " = " Value1 " " TagName2 " = " Value2 "}
标签声明仅可以在SubShader中场景，而不可以在Pass块中声明。Pass中虽然也可以定义标签，但这些标签是不同于SubShader中的标签的。具体内容可以参考官方文档：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-SubShaderTags.html
Pass语义块：
[Name]：首先我们可以在Pass中定义Pass的名称。
[Tags]：Pass语义块的标签不同于SubShader的标签，下面是Pass语义块中的标签类型：
Fallback:
这一指令用于在其它的SubShader不能运作的时候，使用Fallback值中的Shader。
Unity Shader的形态：
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。
顶点/片元着色器
以上图是可编程shader的编程格式，它具有复杂，灵活性高的特点，一直都是大神最喜爱的编写shader的方式。具体用法和参数可以参考官方文档：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-SubShaderTags.html
表面着色器
表面着色器是在顶点/片元着色器的上面做了一层抽象的封装，目的是为了模拟人类的思维方式，使开发人员开发的难度大大降低，并且写出来的程序易于理解和交流，也大大减少了代码量。但是弊端就是程序的灵活性低，扩展性小，并且消耗的性能比较高。
选择Unity Shader的建议
除非设备是不支持可编程管线的着色器的，才考虑使用固定函数着色器，否则都使用可编程管线的着色器。
想和各种光源打资产，则可以使用表面着色器，但要注意他在移动端的表现。
如果需要使用的光照数目特别少，那么顶点/片元着色器是一个更好的选择。
如果有很多自定义的渲染效果，那么选择顶点/片元着色器。
总结
shader是一门博大精深的学科，因为里面涉及到大量的和计算机图形学有关的内容，不是单单靠一两篇博客就可以说清楚，弄明白的。如果读者们有意想精深学习shader编程，必须要花大量的时间打好基础功，学习并非一朝一夕。而且，在学的过程中不仅要知道“怎么用”，更重要的是要知道“为什么要这样用”，多多透过问题的表象思考其本质问题，这样才能朝大牛的方向不断的前进！
本人才疏学浅，如果有错误的地方欢迎指正！