Unity Shader 的编程流程和结构


Unity Shader 的编程流程和结构

Unity Shader 的编程主要由以下三个核心部分组成:Properties(属性)SubShader(子着色器)Fallback(回退)。下面是它们的具体作用和结构:

1. Properties(属性)

  • 作用
    Properties 定义了着色器的可调参数,用户可以通过 Unity 的 Inspector 面板调整材质的外观,例如颜色、纹理或数值。
  • 结构
    通常包括颜色(Color)、纹理(2D)、浮点数(Float)、向量(Vector)等类型的变量。
  • 示例
    Properties
    {_Color ("颜色", Color) = (1,1,1,1)           // 定义一个颜色属性,初始值为白色_MainTex ("主纹理", 2D) = "white" {}         // 定义一个主纹理,默认为白色纹理_BumpMap ("法线贴图", 2D) = "bump" {}        // 定义一个法线贴图,默认为 Unity 内置法线纹理
    }
    

2. SubShader(子着色器)

  • 作用
    SubShader 包含着色器的核心渲染逻辑,定义了渲染管线中的具体操作,通常通过一个或多个 Pass 来实现。
  • 结构
    • Tags:用于指定渲染队列(如 “Opaque” 或 “Transparent”)、光照模式等。
      好的,我会用中文回答你的问题。由于你没有具体提出关于什么的问题,我假设你需要关于 Unity Shader Tags 的解释。以下是详细的回答:

Unity Shader Tags 详解

在 Unity 中,Shader 的 Tags 用于定义渲染行为和着色器在渲染管线中的处理方式。下面我将以一个常见示例为基础,详细解释一些典型的 Tags:

Tags {"Queue"="Transparent" "LightMode"="ForwardBase" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}

1. "Queue"="Transparent"

  • 作用:控制物体的渲染顺序。
  • 解释:Unity 的渲染管线按照“渲染队列(Render Queue)”的顺序渲染物体。"Transparent" 表示这个物体属于透明队列,通常用于渲染玻璃、水、粒子等透明效果。透明物体会在不透明物体(如 "Geometry" 队列)之后渲染,并且会从后往前排序,以确保正确混合。
  • 重要性:透明物体的渲染顺序对视觉效果至关重要,过早渲染可能导致混合错误。
  • 示例:玻璃窗的 Shader 会使用这个 Tag,确保在墙壁之后渲染。

2. "LightMode"="ForwardBase"

  • 作用:指定着色器 Pass 的光照模式。
  • 解释:Unity 支持多种渲染路径,其中 Forward Rendering(前向渲染)是一种常见路径。"ForwardBase" 是前向渲染中的一个 Pass,负责处理主方向光源(如太阳光)和环境光,计算物体如何受这些光照影响。
  • 重要性:这是前向渲染中处理基本光照的关键 Pass。
  • 示例:大多数基础 Shader 使用 "ForwardBase" 来响应场景中的主光源。

3. "IgnoreProjector"="True"

  • 作用:控制物体是否受 Projector(投影器)影响。
  • 解释:Unity 的 Projector 组件可以将纹理投影到物体上(如阴影或光斑)。设置为 "True" 表示这个物体不受 Projector 影响,即不会被投影覆盖。
  • 重要性:适合不想被额外投影影响的物体,例如透明 UI 元素。
  • 示例:一个透明按钮可能使用这个 Tag,避免被场景中的投影干扰。

4. "RenderType"="Transparent"

  • 作用:定义物体的渲染类型。
  • 解释:这个 Tag 主要用于 Unity 的**着色器替换(Shader Replacement)**功能,帮助 Unity 识别物体的渲染特性。例如,在渲染阴影或深度图时,Unity 会根据 "RenderType" 选择合适的着色器。
  • 重要性:确保 Unity 在特殊渲染(如阴影)中正确处理透明物体。
  • 示例:所有透明物体的 Shader 通常会使用这个值。

Unity Shader Tags 总结

这些 Tags 共同定义了一个透明物体的渲染行为:

  • 渲染顺序:在不透明物体之后渲染("Queue"="Transparent")。
  • 光照模式:处理主光源和环境光("LightMode"="ForwardBase")。
  • 投影器影响:不受 Projector 影响("IgnoreProjector"="True")。
  • 渲染类型:标记为透明物体("RenderType"="Transparent")。

这种组合非常适合需要透明效果的 Shader,例如玻璃、粒子或水面。


常见 Unity Tags 及其作用

以下是 Unity Shader 中常用的 Tags,供你参考:

Tag作用常用值
"Queue"控制渲染顺序"Background", "Geometry", "Transparent", "Overlay"
"LightMode"指定光照模式"ForwardBase", "ForwardAdd", "ShadowCaster"
"RenderType"定义渲染类型,用于着色器替换"Opaque", "Transparent", "TransparentCutout"
"IgnoreProjector"是否忽略 Projector 的影响"True", "False"
"ForceNoShadowCasting"强制不投射阴影"True", "False"

"Queue" 的常见值

  • "Background"(1000):天空盒等背景物体。
  • "Geometry"(2000):默认不透明物体。
  • "Transparent"(3000):透明物体。
  • "Overlay"(4000):UI 或特效。

"LightMode" 的常见值

  • "ForwardBase":处理主光源和环境光。
  • "ForwardAdd":处理额外的光源。
  • "ShadowCaster":用于投射阴影。

总结

Unity Shader Tags 是控制渲染行为的核心工具。通过合理设置 Tags,你可以调整物体的渲染顺序、光照处理方式以及其他特性。希望这个回答能帮到你!如果有更具体的问题,请告诉我,我会进一步解答。

  • Pass:每个 Pass 定义一次渲染过程,包含顶点着色器和片段着色器。 Tags也可以写在Pass里面
  • CGPROGRAM:使用 HLSL 语言编写具体的着色器代码。
  • 示例
    SubShader
    {Tags { "RenderType"="Opaque" }               // 指定渲染类型为不透明Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert                      // 声明顶点着色器函数#pragma fragment frag                    // 声明片段着色器函数ENDCG}
    }
    

3. Fallback(回退)

  • 作用
    当硬件不支持当前 SubShader 时,Unity 会尝试使用 Fallback 指定的备用着色器,确保渲染不会失败。
  • 结构
    通常指向一个简单内置着色器,如 “Diffuse” 或 “VertexLit”。
  • 示例
    Fallback "Diffuse"                              // 当 SubShader 不可用时,回退到 Diffuse 着色器
    

Unity Shader 的编程思路

编写 Unity Shader 时,需要遵循以下清晰的思路,确保代码逻辑清晰且效果符合预期:

  1. 明确渲染目标

    • 在开始编写之前,明确着色器要实现的效果,例如不透明物体、透明效果、光照表现还是特殊视觉效果(如水面、玻璃)。
  2. 选择渲染路径

    • 根据项目需求选择适合的渲染路径:
      • 前向渲染(Forward Rendering):适合实时光照较少的场景。
      • 延迟渲染(Deferred Rendering):适合大量动态光源的场景。
  3. 定义 Properties

    • 确定用户需要调整的参数,例如颜色、纹理、光泽度、透明度等,并为这些参数设置合理的默认值。
  4. 编写 SubShader

    • 根据目标效果,编写顶点着色器(处理顶点数据)和片段着色器(计算像素颜色)。
    • 使用 Tags 控制渲染顺序和光照模式,确保与 Unity 的渲染管线兼容。
  5. 优化性能

    • 尽量减少 Pass 数量,合并渲染操作以提升效率。
    • 使用合适的数据类型和精度(如 half 替代 float),减少计算开销。
  6. 调试与测试

    • 使用 Unity 的 Frame Debugger 检查渲染过程,定位问题。
    • 使用 Profiler 分析性能,确保着色器运行高效。

Unity Shader 中的渲染状态设置

在 Unity Shader 中,渲染状态(Render State)定义了渲染管线如何处理几何体、深度、颜色等信息。除了 ZWrite 和 ZTest,还有其他相关设置共同影响渲染行为。以下是详细的说明:

1. ZWrite(深度写入)

  • 作用:决定是否将物体的深度值写入深度缓冲区(Depth Buffer)。
  • 可选值
    • ZWrite On:开启深度写入(默认值),物体渲染后会更新深度缓冲区。
    • ZWrite Off:关闭深度写入,物体不会影响深度缓冲区。
  • 使用场景
    • 不透明物体:通常使用 ZWrite On,确保正确遮挡后面的物体。
    • 透明物体:通常使用 ZWrite Off,避免阻挡后续物体的渲染,同时配合混合(Blend)实现透明效果。
  • 注意:即使关闭 ZWrite,深度测试(ZTest)仍然会生效。

2. ZTest(深度测试)

  • 作用:决定物体是否通过深度测试,从而判断是否渲染该像素。
  • 可选值
    • ZTest Less:深度值小于深度缓冲区值时通过。
    • ZTest Greater:深度值大于深度缓冲区值时通过。
    • ZTest LEqual:深度值小于或等于时通过(默认值)。
    • ZTest GEqual:深度值大于或等于时通过。
    • ZTest Equal:深度值相等时通过。
    • ZTest Always:始终通过深度测试。
    • ZTest Never:始终不通过深度测试。
  • 使用场景
    • 不透明物体:通常使用 ZTest LEqual,确保按深度顺序正确渲染。
    • 透明物体:通常也用 ZTest LEqual,但配合 ZWrite Off 和 Blend。
    • 特殊效果:如 ZTest Always 用于强制渲染(如 UI 或前景效果)。
  • 注意:ZTest 的结果只影响像素是否渲染,不影响深度缓冲区的更新(由 ZWrite 控制)。

3. Blend(颜色混合)

  • 作用:控制当前渲染的颜色(源颜色)与颜色缓冲区已有颜色(目标颜色)的混合方式。
  • 可选值
    • Blend Off:关闭混合(默认值),直接覆盖颜色缓冲区。
    • Blend SrcFactor DstFactor:指定源因子和目标因子的混合公式。
      • 常见示例:
        • Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha:标准透明混合。
        • Blend One One:加法混合。
  • 使用场景
    • 透明物体:开启混合(如 Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha)实现透明效果。
    • 不透明物体:通常关闭混合,直接覆盖背景。
  • 注意:Blend 通常与 ZWrite OffQueue="Transparent" 配合使用。

4. Cull(面剔除)

  • 作用:决定剔除物体的哪个面(正面或背面),或不剔除。
  • 可选值
    • Cull Back:剔除背面(默认值)。
    • Cull Front:剔除正面。
    • Cull Off:不剔除,渲染双面。
  • 使用场景
    • 不透明物体:使用 Cull Back 提高性能,只渲染正面。
    • 透明物体:常使用 Cull Off,确保双面可见。
  • 注意:双面渲染会增加性能开销。

5. Offset(深度偏移)

  • 作用:调整物体的深度值,避免深度冲突(Z-Fighting)。
  • 语法
    • Offset Factor, Units:Factor 影响深度斜率,Units 提供固定偏移。
  • 使用场景
    • 重叠平面:如贴花、道路标记,使用 Offset -1, -1 调整深度。
  • 注意:Offset 不影响深度缓冲区内容,仅影响深度测试时的比较值。

6. ColorMask(颜色掩码)

  • 作用:控制哪些颜色通道(R、G、B、A)写入颜色缓冲区。
  • 可选值
    • ColorMask RGBA:写入所有通道(默认值)。
    • ColorMask RGB:只写入 RGB 通道。
    • ColorMask A:只写入 Alpha 通道。
    • ColorMask 0:不写入任何通道。
  • 使用场景
    • 特殊效果:如只写入 Alpha 通道用于后期处理。
    • 优化:配合深度测试实现某些渲染技巧。

完整 Shader 示例

以下是一个结合多种渲染状态的 Unity Shader 示例,用于透明物体渲染:

Shader "Custom/FullRenderStateExample"
{Properties{_Color ("颜色", Color) = (1,1,1,1)_MainTex ("主纹理", 2D) = "white" {}}SubShader{Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" }ZWrite Off                     // 关闭深度写入ZTest LEqual                   // 深度测试:小于或等于时通过Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // 标准透明混合Cull Off                       // 渲染双面Offset -1, -1                  // 深度偏移ColorMask RGB                  // 只写入 RGB 通道Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _Color;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = v.uv;return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;return col;}ENDCG}}
}

总结

Unity Shader 的渲染状态控制了渲染管线的行为,以下是关键设置的统一说明:

  • ZWrite:控制深度写入,决定是否更新深度缓冲区。
  • ZTest:控制深度测试,决定像素是否渲染。
  • Blend:控制颜色混合,常用于透明效果。
  • Cull:控制面剔除,优化性能或实现双面渲染。
  • Offset:调整深度值,解决深度冲突。
  • ColorMask:控制颜色通道写入,用于特殊需求。

编程过程中必须掌握的关键点

要编写出高效且功能完善的 Unity Shader,以下几个关键点是必须掌握的:

  1. 顶点着色器(Vertex Shader)

    • 作用:处理顶点数据(如位置、法线、UV 坐标),并将顶点从模型空间转换到裁剪空间。
    • 关键技能:掌握 Unity 提供的变换函数,如 UnityObjectToClipPos
  2. 片段着色器(Fragment Shader)

    • 作用:计算每个像素的颜色,负责纹理采样、光照计算和最终颜色输出。
    • 关键技能:熟练编写像素级逻辑,处理光照和材质效果。
  3. 光照模型

    • 基础模型:掌握 Lambert(漫反射)和 Blinn-Phong(高光反射)等常见光照模型。
    • Unity 特性:理解 Unity 的光照系统,包括全局光照(GI)、实时光照和阴影。
  4. 纹理采样

    • 方法:使用 tex2D 函数从纹理中采样颜色。
    • 技巧:掌握 UV 坐标的偏移、缩放和动画,实现动态纹理效果。
  5. 渲染状态

    • 控制项:设置深度测试(ZTest)、深度写入(ZWrite)、混合模式(Blend)、面剔除(Cull)等。
    • 应用:根据需求调整透明度、双面渲染等效果。
  6. 内置变量和函数

    • 内置变量:熟悉 Unity 提供的变量,如 _Time(时间)、_WorldSpaceLightPos0(主光源位置)。
    • 辅助函数:使用 UnityCG.cginc 中的函数(如 UnityObjectToClipPosdot),简化开发。

总结

Unity Shader 的编程需要掌握其基本结构(Properties、SubShader、Fallback),并遵循从明确目标到优化性能的清晰思路。在编程过程中,熟练掌握顶点和片段着色器、光照模型、纹理采样以及渲染状态是实现高效着色器的关键。通过不断实践和调试,你将能够编写出功能强大且性能优越的着色器,为 Unity 项目增添独特的视觉效果。

好的,我来为你完整解答 Unity Shader 中与 ZWrite、ZTest 相关的渲染状态设置,并统一说明所有常见的渲染状态,帮助你全面理解这些设置的作用和使用场景。

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