Chapter Ⅱ 认识着色器

2.1 着色器概念

图形学中的着色器是运行在GPU端的程序。依靠着色器编程，开发者可以修改GPU对于游戏对象的渲染流程。例如，使用顶点着色器进行顶点变换和传递数据，利用片元着色器可以逐片元地渲染。（注意：这些操作都发生在GPU端，目的是控制屏幕上的渲染效果，通常不会真正影响内存/硬盘中游戏原始物体的几何/颜色数据）

Unity项目中着色器的编译实际上包括两个部分：在打包时分析着色器依赖，清点着色器变体，之后面向打包的目标平台（Win/MacOS/Android/iOS......）进行编译。在运行时被编译后的着色器代码还需要被图形硬件驱动加载入GPU中，并完成机器码转换，才最终可以变成硬件指令。后者是一个高度本地化的过程，硬件的具体型号、驱动的版本不同，此过程的结果也不一样，因此需要在客户端完成。但是好在占用的时间极短，在中小项目中不会在运行时造成可被察觉的影响。在着色器数量极多的3A游戏中，通常会在第一次启动时由程序一次性完成这种二次编译（“正在编译着色器......”），之后缓存在本地以供调用，以彻底避免可能在游戏过程中偶尔可能产生的编译卡顿。

Unity中的着色器可以通过.shader文件手动编写，或是使用shadergraph包进行可视化节点式的编辑。

2.2 模型、材质与着色器

Unity中一个三维模型存储在Mesh资产中，材质mat是对模型表面视觉效果的配置文件，其中需要指定一个着色器Shader。

存储在模型文件中的数据 (.FBX, .OBJ, .blend 等)

模型文件定义了物体的几何结构和基础数据。当导入 Unity 后，这些数据主要存储在 Mesh 资产中。

顶点位置 (Vertex Positions)：定义模型形状的最基本数据，即所有点在三维空间中的坐标。

网格拓扑 (Mesh Topology)：定义了哪些顶点连接在一起构成了三角形（或四边形），从而形成了模型的表面。

UV坐标 (UV Coordinates)为模型上每一个顶点指定一个UV坐标，将其映射到纹理贴图的对应位置。模型只包含坐标，不包含纹理图片本身。

法线 (Normals)：定义了每个顶点或面的法线朝向。这个数据它决定了在光照计算中表面如何反射光线，当然还有网格的正反面。

顶点色 (Vertex Colors)：可以为模型的每个顶点指定一个颜色。这可以用来做一些简单的颜色混合或作为数据传递给着色器。

骨骼和蒙皮权重 (Bones & Skin Weights)：对于可动的角色模型，模型文件包含了骨骼（Armature/Rig）结构以及每个顶点受哪些骨骼影响的权重信息，用于实现动画。

子网格 (Sub-meshes)：一个模型文件可以包含多个独立的几何部分。例如，一个汽车模型可能将车身、轮子、玻璃分为三个子网格，以便为它们应用不同的材质。

存储在材质文件中的数据 (.mat)

材质文件定义了模型的外观和渲染方式。它本质上是一个“配置”文件。

1. 着色器引用 (Shader Reference)：每个材质引用一个着色器文件用于处理渲染过程。

2. 纹理贴图 (Textures)：材质包含了对着色器所需纹理文件的引用。这些是普通的图像文件（.PNG, .JPG, .TGA 等）。

3. 反照率/基础色 (Albedo/Base Color)：物体的基本颜色贴图。

4. 法线贴图 (Normal Map)：用于增加表面细节，模拟凹凸感。

5. 金属度/平滑度 (Metallic/Smoothness/Roughness)：定义物体表面的金属性和光滑程度。

6. 自发光贴图 (Emission Map)：定义物体哪些部分会自己发光。

7. 环境光遮蔽（AO）、高度图等。

8. 颜色值 (Colors)：简单的颜色属性，例如，你可以给材质一个整体的“色调”（Tint Color）。

9. 数值和滑块 (Floats & Sliders)：着色器中定义的各种可调参数，例如金属度、平滑度、透明度、发光强度等。

10. 渲染设置 (Rendering Settings)：例如渲染队列（Render Queue，决定透明物体的渲染顺序）、是否双面渲染（Double-Sided）等。

存储在着色器文件中的数据 (.shader)

1. 属性 (Properties)：在着色器的顶部定义，这些是会显示在材质检视面板（Inspector）上的参数。它充当了着色器代码与美术/设计师之间的桥梁，允许用户通过材质去调整颜色、贴图、滑块数值等。

2. 子着色器 (SubShader)：一个着色器可以包含一个或多个子着色器。Unity会从上到下检查列表，并使用目标硬件支持的第一个子着色器。这是一种实现多平台和多硬件兼容性的机制（例如，为高端PC写一个复杂的PBR子着色器，为移动设备写一个简化的版本）。

3. 通道 (Pass)：每个子着色器由一个或多个通道（Pass）组成。每个Pass代表一次完整的渲染操作。例如，一个物体可能需要一个Pass来渲染它的主要颜色和光照，再用另一个Pass来投射阴影。

4. 渲染状态设置 (Render State Setup)：在Pass中，可以设置GPU的渲染状态。例如：

   1. Tags：向渲染管线提供关于着色器意图的元数据（如"RenderType"="Opaque"表示这是一个不透明物体）。

   2. 混合模式（Blend Mode）：控制透明效果。

   3. 深度测试（ZTest）：决定物体是否会被其他物体遮挡。

   4. 剔除模式（Cull Mode）：决定渲染正面、背面还是双面。

   5. 着色器代码 (Shader Code)：这是着色器的“大脑”，通常用Cg/HLSL语言编写，包含在CGPROGRAM...ENDCG或HLSLPROGRAM...ENDHLSL块中。这些代码定义了顶点着色器（Vertex Shader）和片元/像素着色器（Fragment/Pixel Shader）等函数。

   6. 顶点着色器：处理模型传入的顶点数据（位置、UV、法线等），进行坐标变换、顶点动画等操作。

   7. 片元着色器：计算每个像素的最终颜色，这是进行光照计算、纹理采样和颜色混合的地方。

   8. 回退 (Fallback)：一个可选的声明，用于指定当所有子着色器在目标硬件上都无法运行时，应该使用哪个备用着色器。这是一个保证兼容性的“安全网”

2.3 着色器的编程语言

需要注意的是shaderlab（.shader的内容）并不是编程语言，可视作一个声明式的配置文件。Cg(C for Graphics)是legacy方案，不推荐使用。正确做法是在shaderlab文件内嵌套HLSL语言的着色器代码，嵌套在HLSLPROGRAM ... ENDHLSL中（一些书中叫做Cg/HLSL语言，因为Unity项目中的两种语言几乎相同。但Unity6的官方文档一律称作HLSL，参见 https://docs.unity3d.com/6000.0/Documentation/Manual/writing-shader-writing-shader-programs-hlsl.html） 。除HLSL之外，GLSL、Metal也可用但不推荐。

官网文档中的描述：

When you write shaders for Unity, you use the following languages:

- A programming language called HLSL. Use this to write the shader programs themselves. For more information on HLSL, see HLSL in Unity.

- A Unity-specific language called ShaderLab. Use this to define a Shader object, which acts as a container for your shader programs. For more information on ShaderLab, see ShaderLab.

因此可将ShaderLab视作容器，着色器的核心逻辑基于HLSL。

2.4 ShaderLab结构

该示例中的代码来自 https://docs.unity3d.com/6000.0/Documentation/Manual/urp/writing-shaders-urp-basic-unlit-structure.html ，注释是我补充的。

但凡b站支持一下代码块......也不至于......

也许能日更？明天大概是对代码上的细节继续写一点，以及会包含一些内置着色器讲解。