Unity Shader 学习(二):初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了Unity Shader 学习(二):初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。


前言

上一篇:Unity Shader 学习(一):初识ShaderLab – 以“Unlit Shader”模板为例 01

在Unlit Shader模板中引用了UnityCG.cginc中的很多宏和函数方法,这篇继续学习模板中的几个函数以及UnityCG.cginc中一些可能会用到的结构;最后再了解一些自己写Shader时大概率会用到的Cg/HLSL函数方法。


一、Unlit Shader 模板中的函数

sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
    // UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
    return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // sample the texture
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    // apply fog
    // UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
    return col;
}

有两个方法:UnityObjectToClipPostex2D;一个宏:TRANSFORM_TEX

1. UnityObjectToClipPos

这个方法的定义UnityShaderUtilities.cginc

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注释:(inlinein这些关键字,是Cg的语法,参考:Cg_language)

// Tranforms position from object to homogenous space

方法的含义是把顶点坐标从对象空间转换到齐次裁剪空间,是一个坐标变换方法;这正是渲染流程中顶点着色器阶段的主要工作之一

2. TRANSFORM_TEX

这个宏的定义UnityCG.cginc

Unity Shader 学习(二):初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02,Shader,unity,学习,游戏引擎
模板中的顶点着色器函数等价于:

sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;

v2f vert (appdata v)
{
    ...
    o.uv = v.uv.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
    ...
}

这下知道了为什么模板中要定义一个看起来没有被调用过的变量_MainTex_ST,其实是藏在里了。

_MainTex_ST的含义,就是纹理的一个额外属性:缩放和偏移值。

注释:

// Transforms 2D UV by scale/bias property

方法的含义是:顶点uvTilingOffset两个属性值进行运算,计算出实际显示时的顶点uv

在Material上能看到:

  • Tiling:对应scale property,表示纹理放置比例XY通过_MainTex_ST.xy读取;
  • Offset:对应bias property,表示纹理位置偏移量XY通过_MainTex_ST.zw读取。

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更好的理解,可参考:Unity中Material的“Tiling" 和 "Offset"参数介绍

3. tex2D

这个方法是Cg/HLSL语言内置的

官方文档:

  • tex2D - Nvidia
  • tex2D (HLSL 参考)

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方法的含义是查找并返回采样纹理(_MainTex)的(i.uv)坐标处的颜色值;即纹理采样

sampler2D _MainTex;

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // sample the texture
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    ...
}

更好的理解,可参考:

  • 【unity Shader 学习笔记】3-3纹理采样(了解 Wrap Mode)
  • UnityShader关键字:tex2D(sampler2D,float2) 和 _MainTex_ST(了解 Filter Mode)

拓展:使用采样器状态 - Unity Manual

以上,是 Unlit Shader 模板中使用到的方法,也是在顶点着色器和片元着色器阶段非常核心的方法。

二、CGInclude中的数据结构

这里暂时只了解一些输入输出结构,更多请参考:

  • (二)unity自带的着色器源码剖析之—UnityCG.cginc文件(上篇)
  • (三)unity自带的着色器源码剖析之—UnityCG.cginc文件(下篇)

1. 顶点着色器输入结构

顶点着色器输入结构appdata,是模板中自定义的,里面只有两个属性:

struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
    float2 uv : TEXCOORD0;
};

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
    // UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
    return o;
}

实际上,顶点着色器输入的顶点数据远不止这些,只不过是有些输入的属性暂时用不到,被无视了;在UnityCG.cginc中,还提供了其它几种输入结构,这里只列出最全的那个:

struct appdata_full 
{
    float4 vertex : POSITION; // 顶点坐标
    float4 tangent : TANGENT; // 切线向量
    float3 normal : NORMAL; // 法线向量
    float4 texcoord : TEXCOORD0; // 第一套纹理坐标
    float4 texcoord1 : TEXCOORD1; // 第二套纹理坐标
    float4 texcoord2 : TEXCOORD2; // 第三套纹理坐标
    float4 texcoord3 : TEXCOORD3; // 第四套纹理坐标
    fixed4 color : COLOR; // 顶点颜色
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID // 即:uint instanceID : SV_InstanceID;
};

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可以看到appdata_img类似于模板自定义的appdata,只不过多了一个UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID

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把上面模板的顶点着色器函数改写成:

v2f vert (appdata_img v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
    // UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
    return o;
}

至于这个UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID到底是什么,再深入学习就是另外一个话题了,仅做拓展了解:

  • GPU 实例化
  • SV_InstanceID

2. 片元着色器输入结构

与上面顶点着色器输入同理,模板自定义了v2f结构:

struct v2f
{
    float2 uv : TEXCOORD0;
    // UNITY_FOG_COORDS(1)
    float4 vertex : SV_POSITION;
};

v2f vert (appdata v) // 顶点着色器
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
    // UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
    return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target // 片元着色器
{
    // sample the texture
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    // apply fog
    // UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
    return col;
}

同样,片元着色器输入的数据也不是只有两个,比如UnityCG.cginc中的v2f_vertex_lit,就定义了两个颜色值表示顶点漫反射颜色(diff)和镜面反射颜色(spec);

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顶点着色器函数输入变量appdata v赋值过程不可见的,只能直接调用;与之不同的是,输出变量v2f o赋值过程是开发者自己写的:

v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);

因此,顶点着色器输出/片元着色器输入的结构v2f定义自由度比较高没有什么统一的模板结构;结构中属性的数量、每个属性的含义可由开发者灵活定义,想输出什么就定义什么,当然,想输出的值由自己在顶点着色器函数中计算求得。

这可能是Unity内置CGInclude文件中顶点着色器输出/片元着色器输入结构不多的原因:通用性不强;即使是已有的两个结构:v2f_vertex_litv2f_img也是Unity为了实现某些方法自己定义的:

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如果一定要将自己定义的v2f改为v2f_img,除了不再支持原来的雾效相关代码之外,没什么区别,因为赋值都是一样的:

v2f_img vert (appdata v)
{
    v2f_img o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
    return o;
}

fixed4 frag (v2f_img i) : SV_Target
{
    // sample the texture
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    // v2f_img中没有UNITY_FOG_COORDS(1),i.fogCoord也就不存在了
    return col;
}

如果不是要用到某些CGInclude文件中特定的方法,函数的输入输出结构自己定义或者不定义结构直接写多参数函数(参考:自定义着色器基础 - Unity Manual)就可以。

三、Cg/HLSL中用到的函数方法

1. 构造函数(向量类型)

在学习各种内置函数之前,先学会最基础、最常用的函数:向量类型的构造函数

根据Cg的语法,构造一个向量有两种方式:

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  • 对每个分量逐一赋值构造

    float2 v2 = float2(0, 1);
    half3 v3 = half3(-1, 1.1, 0);
    fixed4 v4 = fixed4(1, 0, -1.0, 0);
    

    注意:每个分量都要给一个确定的值,与C#不同,内部的构造函数不会自动补零;

    在C#中也许可以这样写:

    Vector4 vector = new Vector4(1, 1); // 构造函数内部默认把z、w分量设置为0了
    

    但是在Cg/HLSL中,这样写会编译错误的:

    fixed4 v4 = fixed4(1, 1); // 错误写法,编译不通过
    

    Unity Shader 学习(二):初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02,Shader,unity,学习,游戏引擎

  • 基于其它向量构造:(最常用)

    float2 v2 = float2(0, 1);
    float3 v3 = float3(v2,1); // float3 v3 = float3(1,v2);
    float4 v4 = float4(v3,1); // float4 v4 = float4(1,v3); // float4 v4 = float4(v2,v2); // float4 v4 = float4(1,v2,1);
    

    低维向量按任意顺序组合成高维向量,只需要保证:3=1+2,4=1+3、2+2或1+1+2;

    即使精度不同也可以构造,而且低精度可以构造高精度高精度也可以构造低精度,以上面为例:

    fixed4 v4 = fixed4(1, 0, -1, 0);
    half3 v3 = half3(v4.xy, 1);
    float2 v2 = float2(v3.z, v4.w);
    
    float2 v2 = float2(0, 1);
    half3 v3 = half3(v2, 1);
    fixed4 v4 = fixed4(1, v3);
    

    当然,同一维度不同精度类型向量之间也可以互相转换:

    float2 v2 = fixed2(1, 1);
    half3 v3 = float3(v2, 0);
    float4 v4 = half4(v3, 0);
    

这里有一点要说明的是,不同维度向量类型之间的转换(同样不用担心精度问题):

  • 高维向量转换为低维向量,显式或隐式转换

    fixed4 v4 = fixed4(1, 0, 1, 0);
    half3 v3 = v4; // v4.xyz	// 这样写也可以:half3 v3 = (half3)v4
    float2 v2 = v4; // v4.xy	// 这样写也可以:float2 v2 = (float2)v4
    
  • 低维向量转换为高维向量,构造

    下面写法是错误的:

    float2 v2 = float2(1, 1);
    float3 v3 = v2;	// 错误写法,编译不通过
    

    如果用显式转换呢?

    float2 v2 = float2(1, 1);
    float3 v3 = (float3)v2; // 错误写法,编译不通过
    

    注意:在Cg/HLSL中,显式转换写法也会有同样的编译错误!

    Unity Shader 学习(二):初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02,Shader,unity,学习,游戏引擎

    Cg官方手册有说明:
    Unity Shader 学习(二):初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02,Shader,unity,学习,游戏引擎
    所以,低维向量转换为高维向量需要重新构造

    float2 v2 = float2(1, 1);
    half3 v3 = half3(v2, 0);
    fixed4 v4 = fixed4(v3, 0);
    

可以看出,Cg/HLSL对向量不同精度之间转换的限制是比较宽松的。

这里还有一点要说明的是,在Cg语法中,可以从一个向量中取出任意几个分量(可以重复取)按任意顺序组合形成新的向量(最多不超过四维),即 Swizzle操作符
Unity Shader 学习(二):初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02,Shader,unity,学习,游戏引擎

如图所示,有三套字符,最常用的两套是:xyzwrgba;使用哪套字符没有什么限制,二者完全等价。只不过为了代码的可读性,一般习惯于:xyzw(普通向量)、rgba(表示颜色的向量)

fixed4 v4 = fixed4(1, 0, -1, 0);
fixed3 col = v4.rgb;
fixed2 v2 = v4.www;
fixed4 v1 = v2.yyxx;

本篇完,下一篇,专题学习一下 “Cg/HLSL的内置函数” ,要开始改写“Unlit Shader”模板了…文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-773979.html

到了这里,关于Unity Shader 学习(二):初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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