PA1 Shader Fundamentals

Shader 与渲染算法 - 基础 - 着色器基础

1 世界伊始：A Yellow Bing

1.1 准备工作

Stripping It Down

在环境中创建一个 Sphere（球体）。
为了避免 Unity 中新建项目默认的光源干扰，进行超级减配：
1. 删除默认环境。Lighting - Environment，删除 Skybox Material 和 Sun Source。
2. 删除默认灯光。
此时 Unity 中场景应如图所示：

为什么会出现蓝色的背景颜色？

这是由于 Camera 里的 “Background” 设置。将 Background 作为物体之外的填充颜色，在摄影机里设置（而不是在场景里），一方面确保了这就是最终显示的背景颜色，另一方面相较在场景级别进行设置，其处理起来更为简单。

创建 Shader 文件

在路径 Create - Shader - "Unlit Shader" 中创建一个 Shader 文件。

为什么选择 "Unlit Shader" 而不是 "Standard Surface Shader"

相较于后者, Unlit Shader 提供了一个简化的环境，避免了过多复杂的光照模型和其他渲染特性，专注于颜色、纹理、UV映射等基本概念。适合初学者学习。

1.2 粗糙的想法 Rough Idea

vertex shader：将物体好端端放在屏幕上即可；
fragment shader：直接返回一个 “定义的颜色”；
“” 应当使 Unity 编辑器的观众看到，方便实时修改。

1.3 CODING

YellowSphere.shader

// shader 版本的 Hello World
Shader "Code/PA1_Fundamental/YellowSphere"
{
    Properties {
        _Tint("Tint", Color) = (1,1,0,1) // Tint，英文 “染色”
    }
    SubShader {
        Pass {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag
            #include "UnityCG.cginc"
            
            float4 _Tint;

            // 顶点坐标使用 MVP 变换，从物体局部坐标转换为屏幕空间坐标
            float4 Vert(float4 position: POSITION): SV_POSITION {
                return mul(unity_MatrixMVP, position);
            }

            // 直接返回在 Properties 中定义的 _Tint
            float4 Frag(): SV_Target {
                return _Tint;
            }      
            ENDCG
        }
    }
}

语义 POSITION 和 SV_POSITON 有什么区别？

POSITION：作为 Vert 函数中的的输入参数语义，float4 position: POSITION 表示 position 作为新声明变量，其数据类型为 float4，该变量与语义 POSITION 进行绑定，其中读取的值为模型顶点数据中的位置信息。

SV_POSITION：作为 Vert 函数的输出语义，用于写入顶点的屏幕空间位置。它读取 Vert 着色器的返回值（通过 return 函数）后，自动传递给渲染管线，可被后续的着色器所处理。

注意，SV_POSITION 的值会写入顶点数据中，而不是替代原有的顶点坐标值。

如何理解 Properties？

Properties

2 传递更多：渐变饼饼

2.1 粗糙的想法 Rough Idea

vertex shader：坐标作为颜色插值（xyz -> rgb）。传回物体空间坐标；
fragment shader：将物体空间坐标映射到颜色值，再乘以 Tint，从而得到色彩滤镜效果；
refactor：通过 structure 封装数据，进行多数据在 vertex shader 与 fragment shader 之间的数据传递。

2.2 CODING

GradientSphere.shader

CGPROGRAM
#pragma vertex Vert
#pragma fragment Frag
#include "UnityCG.cginc"

float4 _Tint;

struct Interpolators {
    float4 position: SV_POSITION;
    float3 localPosition: TEXCOORD0;
};

Interpolators Vert(float4 position: POSITION) {
    Interpolators i;
    i.localPosition = position.xyz;
    i.position = mul(unity_MatrixMVP, position);
    return i;
}

float4 Frag(Interpolators i): SV_TARGET {
    return float4(i.localPosition + 0.5, 1) * _Tint;
}

ENDCG

fragment shader 返回值中设置的偏移量是怎么回事？

默认球体大小为 1，本地坐标空间落在 (-0.5, 0.5) 之间，因此所映射的颜色空间会非常暗（0～0.5）。为了让映射空间到正常颜色空间（0～1），因此在片元着色器的 return 语句中 + 0.5 偏移量。

重构前代码

MyFirstShader.shader

// 坐标作为颜色插值，xyz 变成 rgb
// out 关键字让括号内的参数写入值。由此 shader 可以将数据绑定到同一输出语义，实现顶点的着色。
float4 Vert(float4 position: POSITION, out float3 localPosition: TEXCOORD0): SV_POSITION {
    localPosition = position.xyz;
    return mul(unity_MatrixMVP, position);
}

float4 Frag(float4 position: SV_POSITION, float3 localPosition: TEXCOORD0): SV_Target {
    return float4(localPosition + 0.5, 1);
}

如何理解 TEXCOORD 寄存器？

理解 TEXCOORD 寄存器

3 UV 初步：可视化 UV 坐标

3.1 粗糙的想法 Rough Idea

vertex shader：传回物体顶点 UV 坐标（~~物体空间坐标~~）；
fragment shader：将 UV 坐标映射为颜色的四个分量。

如何读取 UV 信息？

shader 中的 texture 使用边长为单位 1 的正方形作为载体，顶点着色器可以通过语义 TEXCOORD0 可以获取其纹理坐标。如

Interpolators Vert(float4 position: POSITION, float2 uv: TEXCOORD0) {
    ...
}

3.2 CODING

UVAsColor.shader

// 使用 struct 重构代码
CGPROGRAM
#pragma vertex Vert
#pragma fragment Frag
#include "UnityCG.cginc"

struct VertexData {
    float4 position: POSITION;
    float2 uv: TEXCOORD0;
};

struct Interpolators {
    float4 position: SV_POSITION;
    float2 uv: TEXCOORD0;
    // float3 localPosition: TEXCOORD0;
};

Interpolators Vert(VertexData v) {
    Interpolators i;
    // i.localPosition = v.position.xyz;
    i.uv = v.uv;
    i.position = mul(unity_MatrixMVP, v.position);
    return i;
}

float4 Frag(Interpolators i): SV_TARGET {
    // return float4(i.localPosition + 0.5, 1) * _Tint;
    return float4(i.uv, 1, 1);
}

ENDCG

为什么 UV 坐标会被映射为图例的颜色？

在 shader 中，float4 作为颜色输出时，四个通道分别代表 R、G、B 和 A。fragment shader 的返回值中，UV 坐标的 U 分量赋值给红色通道，V 分量赋值给绿色通道，同时蓝色通道和透明度设置为 1。

4 UV 进步：花纹球球

4.1 粗糙的想法 Rough Idea

添加一个可以放材质（及其控制柄）的地方；
vertex shader：物体顶点 UV 坐标考虑材质 Tilling 和 Offset；
fragment shader：输出材质的采样。

如何添加材质？

增加一个 property。

主纹理习惯命名为 “_MainTex”，如此一来也可以使用 Material.mainTexture 访问它

MyFirstShader.shader

Properties {
    _MainTex("Texture", 2D) = "White"{} // 后面的括号是必加的，历史遗留问题
}

如何使用材质的控制柄？

为着色器添加纹理属性（property）后，材质检查器同时为其添加了平移和偏移控制器。通过在纹理属性后添加 _ST 后缀来对其进行访问。比如 _MainTex 的控制器为 _MainTex_ST。控制器的数据类型为 float4。

其中，Tiling vector 通过 XY 分量对其访问，其默认值为 (1, 1)；

Offset vector 通过 ZW 分量对其访问，其默认值为 (0, 0)

i.uv = v.uv * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;

此外，UnityCG.cginc 包含一个方便的宏，可以简化上述操作：

i.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);

如何进行纹理的采样？

2D 纹理的数据类型是 sampler2D。声明后，可以在 fragment shader 中使用 tex2D 函数使用它。

MyFirstShader.shader

sampler2D _MainTex;

tex2D 第一个参数是引用的纹理名称，第二个参数是一个 float2 类型的 UV 坐标，表示要采样的位置。

MyFirstShader.shader

float4 Frag(Interpolators i): SV_TARGET {
    return tex2D(_MainTex, i.uv);
}

4.2 CODING

UVTexture.shader

Shader "Code/PA1_Fundamental/UVTexture"
{
    Properties {
        _MainTex("Texture", 2D) = "white"{}
    }
    SubShader {
        Pass {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag

            #include "UnityCG.cginc"
            ;
            ;

            struct VertexData {
                float4 position: POSITION;
                float2 uv: TEXCOORD0;
            };
            
            struct Interpolators {
                float4 position: SV_POSITION;
                float2 uv: TEXCOORD0;
            };

            Interpolators Vert(VertexData v) {
                Interpolators i;
                // i.uv = v.uv * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
                i.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                i.position = mul(unity_MatrixMVP, v.position);
                return i;
            }

            float4 Frag(Interpolators i): SV_TARGET {
                return tex2D(_MainTex, i.uv);
            }
            
            ENDCG
        }
    }
}