Unity Shader笔记（一）

目录：

• 渲染流水线
• • 概念流水线的三个阶段
  • • 应用阶段
    • 几何阶段
    • 光栅化阶段
  • CPU与GPU的通信
  • • 把数据加载到显存中
    • 设置渲染状态
    • 调用Draw Call
  • GPU流水线
  • 着色器语言
  • • HLSL
    • GLSL
    • CG
  • 小总结
• Unity Shader基础
• • 流程
  • ShaderLab
  • • 属性 Properties
    • 子着色器 SubShader
    • 降级着色器 FallBack
  • Unity中其它与Shader相关的术语
• 数学相关知识
• • 坐标系与矢量
  • 变换
  • • 齐次坐标
    • 平移矩阵
    • 缩放矩阵
    • 旋转矩阵
  • 坐标空间
  • • 模型空间（Model Space）
    • 世界空间（World Space）
    • 观察空间（View Space）
    • 裁剪空间（Clip Space）
    • • 透视投影
      • 正交投影
    • 屏幕空间（Screen Space）

渲染流水线

概念流水线的三个阶段

应用阶段

输出渲染图元（点、线、三角面等）
此阶段对于开发者来说的任务有：

• 要准备好场景数据（包括设计相机的位置、视锥体、模型、光源）
• 做一个粗粒度的剔除工作，把不可见的物体剔除
• 设置好每个模型的渲染状态（材质、纹理、Shader）
  

几何阶段

输出屏幕的顶点信息

光栅化阶段

使用上一阶段的数据来阐述屏幕上的像素，并渲染出最终的图像

CPU与GPU的通信

把数据加载到显存中

数据从硬盘加载到内存，然后网格和纹理等数据又被加载到显卡的存储空间，即显存里

设置渲染状态

定义场景中的网格是怎样被渲染的

调用Draw Call

Draw Call：每次CPU准备数据并调用图形绘制API通知GPU的过程就称之为一个DrawCall

所谓Draw Call，就是一个命令，发起方是CPU，接收方是GPU，仅仅指向一个需要被渲染的图元（点线面）列表，不包含任何材质信息（材质信息已经加载到了显存中）

GPU流水线

几何阶段和光栅化阶段可以分成若干个更小的流水线阶段。这些流水线阶段由GPU来实现，每个姐u但GPU提供不同的可配置性和可编程性

顶点着色器：实现顶点空间变换、顶点着色功能。把顶点坐标从模型空间转换到齐次裁剪空间（类似于归一化）
曲面细分着色器：用于细分图元
几何着色器：用于执行逐图元的着色操作，或者用于产生更多图元
裁剪：将不在摄像机视野内的顶点裁剪掉，剔除某些三角图元的面片

屏幕映射：负责把每个图元的坐标转换到屏幕坐标系中
// 在Unity中，屏幕坐标系是以屏幕左下角为原点，向右为 x 正方向，向上为 y 的正方向，相机世界坐标中 z 坐标的负方向为正方向的坐标系
三角形设置：固定函数阶段，计算光栅化一个三角形网格所需的信息
三角形遍历：固定函数阶段，检查每个像素是否被一个三角网格所覆盖，是的话就生成一个片元
// 一个片元并不是真正意义上的像素，只是包含要渲染的像素所需要的信息的集合，用于计算每个像素的最终颜色
片元着色器（像素着色器）：实现逐片元的着色操作
逐片元操作（合并阶段）：修改颜色、深度缓冲、进行混合等
输出：屏幕图像

着色器语言

HLSL

DX的着色器语言

GLSL

OpenGL的着色语言

CG

英伟达C for Graphic

小总结

Shader 所在的阶段就是渲染流水线的一部分，更具体来说 Shader 就是GPU流水线上一些可编程的部分。而着色器编译出来的代码最终是在GPU上运行的

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Unity Shader基础

Unity 中提供了方便管理着色器、代码以及渲染设置的 Unity Shader

• 标准表面着色器（Standdard Surface Shader）：包含标准光照的表面着色器模板
• 无光照着色器（Unlit Shader）：不包含光照的基本顶点/片元着色器
• 图像效果着色器（Image Effect Shader）：实现各种屏幕后处理效果
• 计算着色器（Compute Shader）：产生一个特殊的Shader文件，旨在利用GPU并行性进行一些与常规渲染流水线无关的计算
• 光线追踪着色器（Ray Tracing Shader）： 执行与光线追踪相关的计算
  

流程

创建一个材质（Material），创建一个着色器（Shader），将Shader赋予到材质上，再把材质赋予给游戏对象，在材质面板中调整属于以达到满意的效果。

ShaderLab

ShaderLab 是 Unity 中用于编写着色器的特定语言

Shader"_ShaderName"
{
    Properties{ //属性}
    SubShader{ //子着色器}
    SubShader{ //子着色器}
	Fallback "VertexLit"	//SubShader都无法使用时调用Fallback
}

属性 Properties

属性是连接材质和Shader的桥梁，这些属性将出现在材质的面板中

• Int
• Float
• Range(min, max)
• Color
• Vertor
• 2D
• Cube
• 3D
  

子着色器 SubShader

SubShader可以有多个且至少有一个；
当需要加载Shader时，Unity会扫描所有SubShader并选择一个能够在目标平台运行的SubShader；
若所有SubShader都不支持则调用Fallback

SubShader{
	// 可选的[Tags]
    // 可选的[RenderSetup]
    Pass{}	// 每个Pass定义了一次完成的渲染流程，但Pass数目过多性能会下降
    // Other Passes
}

常见的渲染状态设置选项：

• Cull（剔除）
  • Back 背面
  • Front 正面
  • Off 关闭
• ZTest（深度测试）
  • Less Greater
  • LEqual
  • GEqual
  • Equal
  • NotEqual
  • Always
• Zwrite（深度写入）
  • On
  • Off
• Blend（混合模式）
  • SrcFactor
  • DstFactor

SubShader 的标签类型：

• Queue：控制渲染顺序
• RenderType：对着色器进行分类
• DisableBatching：指定是否使用批处理
• ForceNoShadowCasting：控制投射阴影
• IgnoreProjector：控制是否受 Projector 的影响。常用于半透明物体
• CanUseSpriteAtlas： 使用此子着色器的精灵是否与 Legacy Sprite Packer 兼容
• PreviewType：指明材质面板如何预览该材质，默认球形

Pass 的标签类型：

• LightMode：定义该 Pass 在渲染流水线中的角色
• RequireOptions：指定当满足某些条件时才渲染该 Pass
  

降级着色器 FallBack

FallBack "name"	// 使用的最低级着色器
FallBack Off	// 关闭 Fallback 功能

Unity中其它与Shader相关的术语

• 着色器/着色器程序：在 GPU 上运行的程序。默认着色器程序是图形管线的一部分
• Shader 对象：Shader类的一个实例。Shader对象是着色器程序和其他信息的封装器
• ShaderLab：Unity中用于编写着色器的特定语言
• Shader Graph：一种不用代码创建着色器的工具
• 着色器资源：Unity 项目中扩展名为 .shader 的文件。它定义一个 Shader 对象
• Shader Graph 资源：Unity 项目中的文件。它定义一个 Shader 对象

传统的 Shader 仅可以编写特定的Shader，例如顶点着色器或片元着色器，而 Unity Shader 中可以在一个文件中同时包含顶点着色器和片元着色器的代码。
传统的 Shader 中无法设置一些渲染设置，例如是否开启混合、深度测试等，而 Unity Shader 中可以通过特定指令来完成。

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数学相关知识

坐标系与矢量

Unity：左手坐标系，但是观察空间为右手
UE：左手坐标系
// 判断小技巧：对应手的四指从 x 指向 y，大拇指方向为 z 轴
矢量点积 => 数
几何意义：投影长度
矢量叉积 => 矢量
几何意义：垂直于两个矢量的新矢量（模长为原矢量为边的平行四边形面积）
// UE中的mutiply节点既不是点积也不是叉积，而是各个分量的简单相乘而已

变换

矩阵在三维渲染中的主要作用就是变换，包括对物体的平移、旋转、缩放，对坐标空间的变换等
线性变换：保留矢量加和标量乘
仿射变换：合并线性变换和平移变换的变换类型

齐次坐标

线性变换可以做到缩放、旋转和正交投影，但是不能满足平移的需求。因此需要将三维矢量转换成四维矢量
[ M t 0 1 ] left[ begin{array}{c|c} M&t\ hline 0&1 end{array} right] [M0​t1​​]

左上角M为表示旋转和缩放的3×3矩阵
M = [ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ] M=begin{bmatrix} 1&0&0\ 0&1&0\ 0&0&1\ end{bmatrix} M=⎣⎡​100​010​001​⎦⎤​

右上角为平移矩阵
t = [ t x t y t z ] t=begin{bmatrix} t_x \ t_y\ t_z \ end{bmatrix} t=⎣⎡​tx​ty​tz​​⎦⎤​

左下角为0矩阵，右下角为标量1

平移矩阵

点 P(x, y, z) 平移 (tx, ty, tz)

[ 1 0 0 t x 0 1 0 t y 0 0 1 t z 0 0 0 1 ] ⋅ [ x y z 1 ] = [ x + t x y + t y z + t z 1 ] begin{bmatrix} 1&0&0&t_x\ 0&1&0&t_y\ 0&0&1&t_z\ 0&0&0&1 end{bmatrix} cdot begin{bmatrix} x\ y\ z\ 1\ end{bmatrix} = begin{bmatrix} x+t_x\ y+t_y\ z+t_z\ 1\ end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎡​1000​0100​0010​tx​ty​tz​1​⎦⎥⎥⎤​⋅⎣⎢⎢⎡​xyz1​⎦⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎡​x+tx​y+ty​z+tz​1​⎦⎥⎥⎤​

缩放矩阵

[ k 1 0 0 0 0 k 2 0 0 0 0 k 3 0 0 0 0 1 ] ⋅ [ x y z 1 ] = [ k 1 ⋅ x k 2 ⋅ y k 3 ⋅ z 1 ] begin{bmatrix} k_1&0&0&0\ 0&k_2&0&0\ 0&0&k_3&0\ 0&0&0&1 end{bmatrix} cdot begin{bmatrix} x\ y\ z\ 1\ end{bmatrix} = begin{bmatrix} k_1cdot x\ k_2cdot y\ k_3cdot z\ 1\ end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎡​k1​000​0k2​00​00k3​0​0001​⎦⎥⎥⎤​⋅⎣⎢⎢⎡​xyz1​⎦⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎡​k1​⋅xk2​⋅yk3​⋅z1​⎦⎥⎥⎤​

旋转矩阵

[ 1 0 0 0 0 c o s θ − s i n θ 0 0 s i n θ c o s θ 0 0 0 0 1 ] cot ⁡ [ x y z 1 ] = [ x y ⋅ c o s θ − z ⋅ s i n θ y ⋅ s i n θ + z ⋅ c o s θ 1 ] begin{bmatrix} 1&0&0&0\ 0&cosθ&-sinθ&0\ 0&sinθ&cosθ&0\ 0&0&0&1 end{bmatrix} cot begin{bmatrix} x\ y\ z\ 1\ end{bmatrix} = begin{bmatrix} x\ ycdot cosθ-zcdot sinθ\ ycdot sinθ+zcdot cosθ\ 1\ end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎡​1000​0cosθsinθ0​0−sinθcosθ0​0001​⎦⎥⎥⎤​cot⎣⎢⎢⎡​xyz1​⎦⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎡​xy⋅cosθ−z⋅sinθy⋅sinθ+z⋅cosθ1​⎦⎥⎥⎤​

绕 y 轴旋转 θ 度

[ c o s θ 0 s i n θ 0 0 1 0 0 − s i n θ 0 c o s θ 0 0 0 0 1 ] cot ⁡ [ x y z 1 ] = [ x ⋅ c o s θ + z ⋅ s i n θ y − x ⋅ s i n θ + z ⋅ c o s θ 1 ] begin{bmatrix} cosθ&0&sinθ&0\ 0&1&0&0\ -sinθ&0&cosθ&0\ 0&0&0&1 end{bmatrix} cot begin{bmatrix} x\ y\ z\ 1\ end{bmatrix} = begin{bmatrix} xcdot cosθ+zcdot sinθ\ y\ -xcdot sinθ+zcdot cosθ\ 1\ end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎡​cosθ0−sinθ0​0100​sinθ0cosθ0​0001​⎦⎥⎥⎤​cot⎣⎢⎢⎡​xyz1​⎦⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎡​x⋅cosθ+z⋅sinθy−x⋅sinθ+z⋅cosθ1​⎦⎥⎥⎤​

绕 z 轴旋转 θ 度
[ c o s θ − s i n θ 0 0 s i n θ c o s θ 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ] cot ⁡ [ x y z 1 ] = [ x ⋅ c o s θ − y ⋅ s i n θ x ⋅ s i n θ + y ⋅ c o s θ z 1 ] begin{bmatrix} cosθ&-sinθ&0&0\ sinθ&cosθ&0&0\ 0&0&1&0\ 0&0&0&1 end{bmatrix} cot begin{bmatrix} x\ y\ z\ 1\ end{bmatrix} = begin{bmatrix} xcdot cosθ-ycdot sinθ\ xcdot sinθ+ycdot cosθ\ z\ 1\ end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎡​cosθsinθ00​−sinθcosθ00​0010​0001​⎦⎥⎥⎤​cot⎣⎢⎢⎡​xyz1​⎦⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎡​x⋅cosθ−y⋅sinθx⋅sinθ+y⋅cosθz1​⎦⎥⎥⎤​

一般的顺序是：缩放 -> 旋转 -> 平移

坐标空间

模型空间（Model Space）

// 又称对象空间（Object Space）或局部空间（Local Space）

世界空间（World Space）

观察空间（View Space）

裁剪空间（Clip Space）

把顶点从观察空间转换到裁剪空间中的矩阵叫做裁剪矩阵，也被称作投影矩阵。最终渲染的部分是由视锥体决定的。
Unity 中的相机参数如下：


视锥体投影类型有两种：正交投影、透视投影

透视投影

近裁剪平面和远裁剪平面决定可以看到的最近和最远距离

n e a r C l i p P l a n e H e i g h t = 2 ⋅ N e a r ⋅ tan ⁡ F O V 2 nearClipPlaneHeight=2cdot Nearcdot tanfrac{FOV}{2} nearClipPlaneHeight=2⋅Near⋅tan2FOV​
F a r C l i p P l a n e H e i g h t = 2 ⋅ F a r ⋅ tan ⁡ F O V 2 FarClipPlaneHeight=2cdot Farcdot tanfrac{FOV}{2} FarClipPlaneHeight=2⋅Far⋅tan2FOV​

宽度由计算出的高度和设置的宽高比 Aspect 可以计算出。
透视投影矩阵：
[ cot ⁡ F O V 2 A s p e c t 0 0 0 0 cot ⁡ F O V 2 0 0 0 0 − F a r + N e a r F a r − N e a r − 2 ⋅ N e a r ⋅ F a r F a r − N e a r 0 0 − 1 0 ] begin{bmatrix} frac{cotfrac{FOV}{2}}{Aspect}&0&0&0\ 0&cotfrac{FOV}{2}&0&0\ 0&0&-frac{Far+Near}{Far-Near}&-frac{2cdot Nearcdot Far}{Far-Near}\ 0&0&-1&0 end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎢⎡​Aspectcot2FOV​​000​0cot2FOV​00​00−Far−NearFar+Near​−1​00−Far−Near2⋅Near⋅Far​0​⎦⎥⎥⎥⎤​

把顶点从观察空间转换到裁剪空间，将透视投影矩阵点乘顶点坐标：
[ cot ⁡ F O V 2 A s p e c t 0 0 0 0 cot ⁡ F O V 2 0 0 0 0 − F a r + N e a r F a r − N e a r − 2 ⋅ N e a r ⋅ F a r F a r − N e a r 0 0 − 1 0 ] ⋅ [ x v y v z v 1 ] = [ x c y c z c − z v ] begin{bmatrix} frac{cotfrac{FOV}{2}}{Aspect}&0&0&0\ 0&cotfrac{FOV}{2}&0&0\ 0&0&-frac{Far+Near}{Far-Near}&-frac{2cdot Nearcdot Far}{Far-Near}\ 0&0&-1&0 end{bmatrix}cdot begin{bmatrix} x_v\ y_v\ z_v\ 1\ end{bmatrix} = begin{bmatrix} x_c\ y_c\ z_c\ -z_v\ end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎢⎡​Aspectcot2FOV​​000​0cot2FOV​00​00−Far−NearFar+Near​−1​00−Far−Near2⋅Near⋅Far​0​⎦⎥⎥⎥⎤​⋅⎣⎢⎢⎡​xv​yv​zv​1​⎦⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎡​xc​yc​zc​−zv​​⎦⎥⎥⎤​

转换后顶点的 w 分量不再为1而是观察空间 z 坐标的相反数，使用该 w 分量判断顶点是否在视锥体内
− w ≤ x ≤ w − w ≤ y ≤ w − w ≤ z ≤ w -wleq x leq w \ -wleq y leq w \ -wleq z leq w −w≤x≤w−w≤y≤w−w≤z≤w

正交投影

正交投影的视锥体是一个长方体

n e a r C l i p P l a n e H e i g h t = F a r C l i p P l a n e H e i g h t = 2 ⋅ S i z e nearClipPlaneHeight=FarClipPlaneHeight=2cdot Size nearClipPlaneHeight=FarClipPlaneHeight=2⋅Size同理宽度也是由计算出的高度和设置的宽高比 Aspect 可以计算出。正交投影矩阵：
[ 1 A s p e c t ⋅ S i z e 0 0 0 0 1 S i z e 0 0 0 0 − 2 F a r − N e a r − F a r + N e a r F a r − N e a r 0 0 0 1 ] begin{bmatrix} frac{1}{Aspectcdot Size}&0&0&0\ 0&frac{1}{Size}&0&0\ 0&0&-frac{2}{Far-Near}&-frac{Far+Near}{Far-Near}\ 0&0&0&1\ end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎡​Aspect⋅Size1​000​0Size1​00​00−Far−Near2​0​00−Far−NearFar+Near​1​⎦⎥⎥⎤​把顶点从观察空间转换到裁剪空间，将正交投影矩阵点乘顶点坐标：
[ 1 A s p e c t ⋅ S i z e 0 0 0 0 1 S i z e 0 0 0 0 − 2 F a r − N e a r − F a r + N e a r F a r − N e a r 0 0 0 1 ] ⋅ [ x v y v z v 1 ] = [ x c y c z c 1 ] begin{bmatrix} frac{1}{Aspectcdot Size}&0&0&0\ 0&frac{1}{Size}&0&0\ 0&0&-frac{2}{Far-Near}&-frac{Far+Near}{Far-Near}\ 0&0&0&1\ end{bmatrix}cdot begin{bmatrix} x_v\ y_v\ z_v\ 1\ end{bmatrix} = begin{bmatrix} x_c\ y_c\ z_c\ 1\ end{bmatrix} ⎣⎢⎢⎡​Aspect⋅Size1​000​0Size1​00​00−Far−Near2​0​00−Far−NearFar+Near​1​⎦⎥⎥⎤​⋅⎣⎢⎢⎡​xv​yv​zv​1​⎦⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎡​xc​yc​zc​1​⎦⎥⎥⎤​变换后 w 分量仍然是1，判断是否在视锥体内的公式仍然不变

− w ≤ x ≤ w − w ≤ y ≤ w − w ≤ z ≤ w -wleq x leq w \ -wleq y leq w \ -wleq z leq w −w≤x≤w−w≤y≤w−w≤z≤w

屏幕空间（Screen Space）

顶点变换的最后一步，变换到屏幕空间，也就是把视锥体投影到屏幕空间。
用齐次除法（或者叫透视除法），将齐次坐标系 w 分量除以 x、y、z 分量，变换到一个立方体内。再进行屏幕映射求屏幕上的像素坐标（Screenx，Screeny）：
S c r e e n x = c l i p x ⋅ p i x e l W i d t h 2 ⋅ c l i p w + p i x e l W i d t h 2 Screen_x=frac{clip_xcdot pixelWidth}{2cdot clip_w}+frac{pixelWidth}{2} Screenx​=2⋅clipw​clipx​⋅pixelWidth​+2pixelWidth​
S c r e e n y = c l i p y ⋅ p i x e l H e i g h t 2 ⋅ c l i p w + p i x e l H e i g h t 2 Screen_y=frac{clip_ycdot pixelHeight}{2cdot clip_w}+frac{pixelHeight}{2} Screeny​=2⋅clipw​clipy​⋅pixelHeight​+2pixelHeight​

• clip_x：裁剪空间中顶点的 x 分量
• clip_y：裁剪空间中顶点的 y 分量
• clip_w：裁剪空间中顶点的 w 分量
• pixelWidth：屏幕宽度像素分辨率
• pixelHeight：屏幕高度像素分辨率

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