Unity_Shader，作用流程入门程精讲

2024-03-11 17:00:49

Unity_Shader

写在前面：

虽说已经入门(至少我觉得入门了？)shader有些时间了，不过由于慢慢的对入门级的东西有了新的感悟，再者组织要喊我给学弟学妹们培训一手，遂准备记下这篇内容作为教材。
在我入门shader那会，啃过学长给的书，摸过siki老师的课，看过知乎大佬的专栏，无一例外，大家都是底层开篇，上手开始GPU渲染流程,渲染流水线。很专业的开篇，但对于没有底层基础和图形学基础的人来说，可能有点难以接受，更难融会贯通真正的用上。
所以今天我写的这篇入门呢，主要是给没什么底层基础，图形学基础的小白入门参考。
本文主要讲述图形渲染流水线大概是个什么样子(参考知乎大佬王子饼干的shader魔法书专栏)，shader在这个流水线中怎样作用，CPU和GPU在后台工作时的区别，用shader处理图像和用c#处理图像有什么区别，一个最简单的shader。
注意：本篇涉及到的绝大部分思维上的例子，举例所用的数字，纯属个人理解上的虚构，并非真正的底层知识，所以只能做一个领进门的作用，底层，还是要找专业的资料好好学一学的。
哦对了，这篇文章实践性内容不多，所以可能会很枯燥，但如果你学的下去，小白入门进度会快很多。

渲染流水线

注：本部分极大参照了知乎王子饼干的专栏，UnityShader魔法书第一节，贴个蓝链UnityShader入门精要笔记1：渲染流水线，有一说一，这专栏讲的很通俗易懂了，大爱。

什么是渲染流水线

大概就是说，你做游戏的时候这个游戏物体，本身也是一堆数据，他要经过“渲染”，这才会出现在屏幕上。而渲染流水线，就是将一团数据层层包装迭代筛选，最终呈现在屏幕上的过程。

渲染流水线的各大阶段

渲染流水线主要有三个阶段，应用阶段，几何阶段，光栅化阶段。

应用阶段：在这个阶段，程序会拿到之后所用到的很多很多信息，诸如：场景中的物体模型，场景中的光源信息，以及我们所为其输入的一些数据。在这个阶段最后，会输出渲染所需要的几何信息到下一个工位。
几何阶段：该阶段通常处理的是几何空间下的很多事情，诸如对模型的顶点信息进行空间变换，去取到一些信息来决定要绘制的图像，最后呢，这个阶段会将顶点信息输出到二维屏幕坐标下，然后传递给下一个工位。
光栅化阶段：该阶段是讲之前的内容拿过来，并合并计算一个像素点的信息，最终决定屏幕上显示内容的部分。
接下来看一张图，其中我只写入了本节需要我们关注的三部分，这三部分我会详细说一说。其他部分全部省略了，日后需要自行找找资料详细学习，其底层流程。

应用阶段_程序与数据的读入

首先关于这部分呢，是系统要做的事，而不是我们要做的，但需要简单知道系统做了什么，知道在什么情况下做什么东西用c#做什么东西用shader。
Shader代码是执行在GPU上的，和我们通常写的C#代码不同，其仅仅支持一些简单的逻辑操作。下面看一张图来了解下这俩个执行在CPU与GPU上的程序各自的优缺点。
如上图，蓝色部分是存储单元，其为CPU和GPU提供了直接访问权限，故而将信息读入这些存储单元再进行使用将会提升速度，这就是执行前读入数据的过程。
而红色部分是今天的重点，其是运算单元，CPU的运算单元更加强大，但量少，强大在其可以执行很复杂的逻辑运算，但量少导致其面对大量简单问题时显得乏力。而GPU的运算单元数量很庞大，但本身能力较弱，不支持很复杂的逻辑，但其数量决定了其可以快速处理海量的简单问题。曾见过一个网友举例:CPU就像几个大学生，你让他算什么都可以，但你让他算一万个二位数加法，他得算几个小时。而GPU像一万个小学生，你让他们一起算一个微积分，他们算不得，但你给他们分配下去一万个俩位数加分，在一人一题的情况下，不出一分钟就解决了。
也正是这种特点，CPU更适合我们后台的逻辑脚本，GPU更适合做渲染显示方面的工作。拿一张图的后处理来说，这张图有1万个像素点，你要把所有点都变深一点，用CPU可以用循环做很多很多次遍历，最终遍历完整张图，而GPU可以直接给每一个运算单元分配一块像素，各自开工，瞬间解决。
也正是因为GPU和CPU的这种区别，使得我们写的shader代码中诸如顶点着色器，片元着色器效率能很高，顶点着色器会分给很多个运算单元各自计算各自负责的顶点，片元着色器分给很多个运算单元各自计算各自负责的片元。

几何阶段_顶点着色器

这个阶段就是我们需要编写进shader中的第一个阶段了，主要负责从应用阶段拿到我们需要的一些参数，然后根据这些东西计算出剪裁空间下的顶点坐标，然后传给后面的工位（当然你也可以做一些其他的事情）。
取参数：到这里就不得不提一下shader中参数从何而来，在系统渲染时会自动调用我们写好的顶点着色器，并按照我们规定自动传入参数，所以我们需要告诉系统，我们需要哪些参数，这个告知方式固然不是自己想怎么说就怎么说，要使用和系统约好的“暗号”，专业点的术语叫做语义绑定。
下面举个小例子：

struct VertexInput
            {
                float4 Pos:POSITION;            //语义绑定
                float2 uv:TEXCOORD0;         //语义绑定
            };

如上定义了一个结构体其中包含的参数都绑定了语义，这些语义做什么用的参照Unity_Shader中一些常用变量和函数的集合，这样一来将这个结构体作为定点函数的参数传递过去即可。
函数绑定和取参数一样，都是需要指明哪个函数是顶点函数，这样系统才不会调用错。
举例如下

#pragma vertex _Vert

如上绑定了顶点函数，名字为_Vert。 #pragma为绑定函数的关键词，vertex为指明绑定的函数为顶点函数。

光栅化阶段_片元着色器

这个阶段与顶点着色器基础思想山很相似，不过作用主体是光栅化后的片元，什么是片元，你可以直接理解成一块块的像素点，详细的可以自己搜索下。而其最终需要返回一个颜色值，就是当前片元的颜色了。
取参数：与之前顶点着色器很相似，都是定义一个结构体，然后让这个结构体内的参数绑定语义，在当做参数传进去。不过需要注意的是，其中涉及到需要顶点着色器传给片元着色器的参数，因此顶点着色器需要返回一个这样的结构体，以便后面片元着色器直接取到这些参数。
举例如下：

            struct VertexOutput
            {
                float4 Pos:SV_POSITION;
                float2 uv:TEXCOORD0;
            };

函数绑定这部分与顶点部分差不多，只是vertex换成了fragment

#pragma fragment Pixel

如上便绑定了片元着色器函数，函数名为Pixel

简单例子

举个最简单的渲染例子，我们写一个shader封装成材质给胶囊体上色。
右键资源管理器，create->shader->Standard Surface Shader 创建一个新的表面着色器。
删除其中内容开始写，首先是整体结构搭好如下：

Shader "Custom/test"          //指明其为shader代码，后面的字符串是其在材质选择渲染器时的路径
{
    Properties                        //公开型变量，在材质的属性面板可以修改
    {
    }
    SubShader                      //语法之一写就完事了，之后在理解。
    {

    }
    FallBack "Diffuse"            //默认声明，表示如果我们写的SubShader在当前设备上不支持，就用默认渲染
}

然后向变量区写入一个color类型的，表示最终渲染成什么颜色。

    Properties                        //公开型变量，在材质的属性面板可以修改
    {
    	        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }

接着在SubShader中写入一个新的pass块(相互独立，按序执行渲染的具体渲染块)，在其中写入CG语法应用范围(使用CGPROGRAM关键词表示开始应用cg语法，使用ENDCG关键词表示结束)，并在范围内写入头文件声明，函数绑定。

    SubShader
    {
        pass
        {
                CGPROGRAM
                #pragma vertex _Vert
                #pragma fragment Pixel
                #include "UnityCG.cginc"
                ENDCG
        }
    }

接着定义输入输入结构体，声明要用到的变量（当声明变量名字和Properties块中一样的时候，就表示你这个变量是那个外界可以调的）。

                struct VertexInput
                {
                    float4 Pos:POSITION;
                };
                struct VertexOutput
                {
                    float4 Pos:SV_POSITION;
                };
                fixed4 _Color;

然后是顶点着色器和偏远着色器的编写

                VertexOutput _Vert(VertexInput v)
                {
                    VertexOutput r;
                    //将顶点转换到剪裁空间
                    r.Pos = UnityObjectToClipPos(v.Pos);
                    return r;
                }
                fixed4 Pixel(VertexOutput v):SV_Target
                {
                    //直接将定义好的颜色返回为该片元的颜色
				    return _Color;
                }

到这里就编写完了，完整代码如下：

Shader "Custom/test"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        pass
        {
                CGPROGRAM
                #pragma vertex _Vert
                #pragma fragment Pixel
                #include "UnityCG.cginc"
                struct VertexInput
                {
                    float4 Pos:POSITION;
                };
                struct VertexOutput
                {
                    float4 Pos:SV_POSITION;
                };
                fixed4 _Color;
                VertexOutput _Vert(VertexInput v)
                {
                    VertexOutput r;
                    //将顶点转换到剪裁空间
                    r.Pos = UnityObjectToClipPos(v.Pos);
                    return r;
                }
                fixed4 Pixel(VertexOutput v):SV_Target
                {
                    //直接将定义好的颜色返回为该片元的颜色
				    return _Color;
                }
                ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

然后我们创建一个材质，如图红色箭头按照代码中编写的路径选好我们写的shader，然后蓝色箭头就是我们设定的颜色。
拖到胶囊体上，效果如下
写在后面：到这里这篇要说的内容就结束了，不过并没有详细讲解shader代码中的一个常用标准格式，大家可以参照以下我以前的笔记Unity_shader(属性详解,顶点片元函数的使用)和Unity_shader(结构体定义及其使用，两系统函数之间参数的传递，部分语义传递关系，光照模型)
结束，感谢阅读

码农公寓

Unity_Shader

渲染流水线

什么是渲染流水线

渲染流水线的各大阶段

应用阶段_程序与数据的读入

几何阶段_顶点着色器

光栅化阶段_片元着色器

简单例子

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