Shader比较学术的百科回答就是用来实现图像渲染的，用来替代固定渲染管线的可编辑程序。其中Vertex Shader（顶点着色器）主要负责顶点的几何关系等的运算，Pixel Shader（像素着色器）主要负责片元颜色等的计算。
那说人话就是可以把渲染流程看作美食的制作流程，一般来说制作美食需要选食材，切菜，炒菜，加调料上色，出锅等流程。我们可以把模型的Mesh看作食材，而Shader在这个流程中主要负责切菜和上色的步骤，切菜控制食材的形态，这就是顶点Shader负责的，加调料上色可以让美食变得更加秀色可餐，这也就是像素Shader负责的。
Standard Surface Shader
标准表面着色器，它是一种基于物理的着色系统，可以理解为 它是通过对物理现象的简单模拟，可以实现生活中各种物品的效果，比如石头、木材、玻璃、塑料和金属等等。
Unlit Shader
它是最简单的着色器，与 Standard Surface Shader 相比，它去除了冗长的光照公式以及阴影解算，因此得名 Unlit，翻译过来就是无光照，也正因如此，它只由最基础的 Vertex Shader 和 Fragment Shader 组成，最为基础易懂。
Image Effect Shader
它其实也是也是顶点片元着色器，不过它主要针对实现各种屏幕后处理效果，那后处理是什么呢？一般像是泛光、调色、景深、模糊等基于最终整个屏幕画面而进行再次处理的就是后处理，这里做个简单的了解即可。
Compute Shader
计算着色器，它是在GPU中运行的一段程序，独立于常规渲染管线之外的，它可以直接将GPU作为并行处理器加以利用，从而使GPU不仅具有3D渲染能力，还具有其他的运算能力。一般会在需要大量并行计算的时候使用。
Ray Tracing Shader
光线追踪着色器，光线追踪是指从摄像机出发的若干条光线，每条光线会和场景里的物体求交，根据交点位置获取表面的材质、纹理等信息，并结合光源信息计算光照。相对于传统的光栅化渲染，光线追踪可以轻松模拟各种光学效果，如反射、折射、散射、色散等。但由于在进行求交计算时需要知道整个场景的信息，它的计算成本也是非常高的。
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ShaderLab
Unity为我们封装的着色器语言，而目前主流的着色器语言有3种，基于OpenGL的GLSL / 基于DX的HLSL / NVIDIA公司的CG。
GLSL与HLSL分别是基于OpenGL和Direct3D的接口，两者不能混用。而CG则是为了使图形硬件的编程变得和 C语言编程一样方便自由，它本身基于C语言。如果你之前使用过C系语言其中的任意一个，那CG的语法也是比较容易掌握的。但其实由于Microsoft和NVIDIA的相互协作，他们在标准硬件光照语言的语法和语义上达成了一致，所以HLSL和Cg其实可以看为是同一种语言。
而ShaderLab则是Unity在HLSL和CG的基础之上封装的只属于Unity的着色器语言，它的灵活性更高，而且不再需要将 Shader 的配置 硬写在引擎代码中，本质是在底层着色语言的基础上，额外提供了声明信息，以数据驱动的方式使我们在渲染管线内自由发挥。
ShaderLab语法详细解析
// Shader 的路径名称 默认为文件名,也可以与文件名不同
Shader "Unlit/HiShader"
{
// 属性
// Material Inspector显示的所有参数都在需要在这里进行声明
Properties
{
// 通常所有属性名都以下划线字符开头 _MainTex
_MainTex("Texture", 2D) = "white" {}
// 比较常见的属性类型
// ————————————————————————————————————————————————
_Integer("整数(新版)", Integer) = 1
_Int("整数(旧版)", Int) = 1
_Float("浮点数", Float) = 0.5
_FloatRange("浮点数滑动条", Range(0.0, 1.0)) = 0.5
// Unity包含以下内置纹理, 可以直接填充
// “white”（RGBA：1,1,1,1）
// “black”（RGBA：0,0,0,1）
// “gray”（RGBA：0.5,0.5,0.5,1）
// “bump”（RGBA：0.5,0.5,1,0.5）
// “red”（RGBA：1,0,0,1）
_Texture2D("2D纹理贴图", 2D) = "red" {}
// 字符串留空或输入无效值，则它默认为 “gray”
_DefaultTexture2D("2D纹理贴图", 2D) = "" {}
// 默认值为 “gray”（RGBA：0.5,0.5,0.5,1）
_Texture3D("3D纹理贴图", 3D) = "" {}
_Cubemap("立方体贴图", Cube) = "" {}
// Inspector会显示四个单独的浮点数字段
_Vector("Example vector", Vector) = (0.25, 0.5, 0.5, 1)
// Inspector会显示拾色器拾取色彩RGBA值
_Color("色彩", Color) = (0.25, 0.5, 0.5, 1)
// ————————————————————————————————————————————————
// 除此之外 属性声明还可以具有一个可选特性 用来告知Unity如何处理它们
// HDR可以使色彩亮度的值超过1
[HDR]_HDRColor("HDR色彩", Color) = (1,1,1,1)
// Inspector隐藏此属性
[HideInInspector]_Hide("看不见我~", Color) = (1,1,1,1)
// Inspector隐藏此纹理属性的Scale Offset字段
[NoScaleOffset]_HideScaleOffset("隐藏ScaleOffset", 2D) = "" {}
// 指示纹理属性为法线贴图，如果分配了不兼容的纹理，编辑器则会显示警告。
[Normal]_Normal("法线贴图", 2D) = "" {}
}
// 子着色器
// 一个Shader至少有一个或者多个子着色器SubShader，这些子着色器互不干扰，且只有一个会运行
// 在加载shader时Unity会遍历所有SubShader列表，并最终选择用户机器支持的第一个
SubShader
{
// 可以通过Tags来向子着色器分配标签
// 只可以写在SubShader语块内,不可写在Pass内
/* 以键值对的形式存在,可以出现多个键值对
Tags {
"TagName1" = "Value1"
"TagName2" = "Value2"
"TagName3" = "Value3"
...
}
*/
// RenderPipeline: 声明子着色器是否与通用渲染管线 (URP) 或高清渲染管线 (HDRP) 兼容
// 仅与 URP 兼容
// Tags { "RenderPipeline"="UniversalRenderPipeline" }
// 仅与 HDRP 兼容
// Tags { "RenderPipeline"="HighDefinitionRenderPipeline" }
// RenderPipeline不声明或任何其他值表示与 URP 和 HDRP 不兼容
// ————————————————————————————————————————————————
// Queue: 声明渲染队列
// Tags { "Queue"="Background" } // 最早被调用的渲染，用来渲染天空盒或者背景
// Tags { "Queue"="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）
// Tags { "Queue"="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
// Tags { "Queue"="Transparent" }// 以从后往前的顺序渲染透明物体
// Tags { "Queue"="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）
// ————————————————————————————————————————————————
// RenderType: 用来区别这个Shader要渲染的对象是属于什么类别的。
// 设置渲染类型 用一种称为着色器替换的技术在运行时交换子着色器,用来区别这个Shader要渲染的对象是属于什么类别的
// 这里表示非透明物体渲染
Tags { "RenderType" = "Opaque" }
// 更多详细内容可参考官网文档 https://docs.unity.cn/cn/2021.3/Manual/SL-SubShaderTags.html
// LOD (Level of Detail)
LOD 100
// 每个子着色器由多个通道组成，许多简单的着色器只使用一个通道，但想要一些更复杂的效果，着色器可能需要更多通道
// 一个Pass就是一次绘制，可以看成是一个Draw Call而Pass的意义在于多次渲染，
// 如果你有一个Pass，那么着色器只会被调用一次，如果你有多个Pass的话，
// 那么就相当于执行多次SubShader了，这就叫双通道或者多通道。
// Draw Call：其实就是CPU调用图像编程接口的渲染命令，CPU每次调用DrawCall，都需要向GPU发送许多数据啊、渲染状态等等，
// 一旦CPU执行完应用阶段，GPU就会开始执行这次的渲染流程。而GPU渲染的速度比CPU提交命令的速度要快的多，
// 所以如果DrawCall数量过多的情况下，CPU需要进行大量的计算，进而就会导致CPU过载，影响游戏的运行效率。
Pass
{
CGPROGRAM
// 声明顶点着色器
#pragma vertex vert
// 声明像素着色器
#pragma fragment frag
// 使雾生效
#pragma multi_compile_fog
// 引用CG的核心代码库
#include "UnityCG.cginc"
// 应用程序阶段结构体
struct appdata
{
// 参考：https://docs.microsoft.com/zh-cn/windows/win32/direct3dhlsl/dx-graphics-hlsl-semantics
// POSITION 着色器语言的语义，用来限定着色器的输入输出值的类型
// 模型空间的顶点坐标
float4 vertex : POSITION;
// 模型的第一套UV坐标
float2 uv : TEXCOORD0;
};
struct v2f
{
// UV
float2 uv : TEXCOORD0;
UNITY_FOG_COORDS(1)
// SV_POSITION 当这个值需要作为输出值输出给系统用的时候 前面需要加SV_前缀
// 当然因为有向下兼容的机制 不加也没啥太大问题
float4 vertex : SV_POSITION;
};
// 在Properties中声明的参数要在这里相对应的定义后才可以使用
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
// 定义顶点着色器函数 函数名要与声明顶点着色器名称相同
v2f vert(appdata v)
{
v2f o;
// 将顶点坐标从模型空间变换到裁剪空间
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
// Transforms 2D UV by scale/bias property
// #define TRANSFORM_TEX(tex,name) (tex.xy * name##_ST.xy + name##_ST.zw)
// 等价于v.uv.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
// 简单来说，TRANSFORM_TEX主要作用是拿顶点的uv去和材质球的tiling和offset作运算，
// 确保材质球里的缩放和偏移设置是正确的
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
return o;
}
// SV_Target可以视为COLOR ，虽说他也是作为输出值输出给系统的
// 但它其实是告诉系统把输出的颜色值存储到RenderTarget中
// 所以这里我们用SV_Target
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
// 采样2D纹理贴图
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
// 应用雾
UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
// 返回经过处理后的最终色彩
return col;
}
ENDCG
}
}
}
实战案例
VertexShader
找到 VertexShader，这里将通过调整顶点的 Y 轴位置实现一个简单的压扁效果
// 定义顶点着色器函数 函数名要与声明顶点着色器名称相同
v2f vert(appdata v)
{
v2f o;
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
// 模型空间转到世界空间
float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
// 压Y轴位置 这里把世界空间下顶点的y减去最低部y的值乘上一个系数
// 然后再用y去减去这个值，就可以通过这个系数来控制兔子被压扁的程度
float y = worldPos.y - (worldPos.y - _Bottom) * _Value;
// 最终世界空间位置
float3 tempWorld = float3(worldPos.x, y, worldPos.z);
// 世界空间转裁剪空间
o.vertex = UnityWorldToClipPos(tempWorld);
return o;
}
记得把 _Bottom 和 _Value 公开定义出来方便调整
Properties
{
_Value ("压扁系数",Range(0, 1)) = 0
_Bottom ("底部", float) = 0
}
float _Value;
float _Bottom;
最后拖拽压扁系数条就可以看到效果啦~
Pixel Shader
这里创建一个 Cube，相比之下，虽然它们都是三维模型，但这只兔子看起来就跟纸片一样，完全没有立体感。
这是因为 Unlit 默认是不受光材质，纹理什么颜色它就直接显示出来了，但通常来说，光照是三维世界不可或缺的部分，现实世界中，当光照射到物体表面时, 物体对光会发生反射、透射、吸收、折射等被物体反射的光进入视觉系统，使看见物体的表面有明暗之分，为了模拟这一现象，科研家建立了一些数学模型来替代复杂的物理模型，统称为光照模型。
比较常见的光照模型有漫反射的 Half Lambert 模型 ，以及镜面反射的 Blinn-Phong 模型。 Half Lambert 能够较好地表现粗糙表面上的光照现象，像如石灰墙，纸张等等，但是在渲染金属材质制成的物体时，则会显得呆板，表现不出光泽。主要原因是其没有考虑到镜面反射效果，所以 Blinn-Phong 对其进行了很好的补充。
这里我们将通过Pixel Shader实现最简单的 Half Lambert ，首先拿到计算光照需要的模型法线和世界坐标，在v2f的结构体里将它们进行定义，
struct v2f
{
float2 uv : TEXCOORD0;
// 计算光照需要用到法线和世界位置
// 通常使用TEXCOORDn语义来修饰float2, float3, float4类型
float3 worldNormal: TEXCOORD1;
float3 worldPos:TEXCOORD2;
UNITY_FOG_COORDS(1)
float4 vertex : SV_POSITION;
};
在顶点着色器中将世界坐标和法线进行处理，传递给接下来的像素着色器
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
// 模型空间转到世界空间
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
// 法线向量归一化
o.worldNormal = normalize(UnityObjectToWorldNormal(v.normal));
return o;
}
在像素着色器中，首先通过世界坐标拿到光照的方向，也就是所谓的入射光，用法线点乘入射光，就可以得到入射光与模型表面的夹角，由于当入射光和法线夹角的余弦值为负数的时候，所得到的结果始终都是零，就会导致照不到的地方一片漆黑，所以这里需要乘0.5再加0.5 ，这样就可以把原本-1到1的取值范围变为0-1的取值范围。最后把求出来的光照亮度叠加到最终的像素色彩值就可以啦
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
// sample the texture
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
// 得到光照方向
float3 worldLightDir = UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos);
// NoL代表表面接受的能量大小
float NoL = dot(i.worldNormal, worldLightDir);
// 计算half-lambert亮度值
float halfLambert = NoL * 0.5 + 0.5;
// apply fog
UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
return col * halfLambert;
}
这样最终的效果就会更符合我们的视觉观感。
