unity shader 教程-杰瑞科技汇

Unity Shader 完整学习指南

第一部分：基础入门
（图片来源网络，侵删）
- 什么是 Shader？
- Unity 中的 Shader 资源
- ShaderLab 基础结构
- 第一个 Shader：创建一个纯色材质
- 理解 Properties、SubShader、Pass
- Unity 的渲染管线简介
第二部分：核心概念 - CG/HLSL 着色器语言
- 什么是 CG/HLSL？
- 顶点着色器与片元着色器
- 关键数据结构：v2f (vertex to fragment)
- 内置变量与函数
- Unity 中的坐标空间
第三部分：实用 Shader 编写
- 基础光照模型：Lambert 反射
- 纹理：如何使用贴图
- 法线贴图：增加表面细节
- 透明度：透明与半透明效果
- 卡通渲染：简单的 Cel-Shader 效果
第四部分：高级主题
- Surface Shader：简化光照模型的编写
- Shader Variant & Keywords：实现可配置的 Shader
- 自定义光照模型：编写自己的光照计算
- 后处理效果：在场景渲染后进行修改
- GPU Instancing：提升性能
第五部分：学习资源与最佳实践
（图片来源网络，侵删）
- 推荐书籍与教程
- 官方文档与社区
- Shader 开发工具
- 性能优化技巧

第一部分：基础入门

什么是 Shader？

Shader（着色器）是一段运行在 GPU 上的小程序，它告诉 GPU 如何渲染一个像素，它决定了物体的最终颜色、高光、阴影等视觉表现。

顶点着色器：负责处理每个顶点的位置、法线、UV 等信息，它决定了顶点在屏幕上的最终位置。
片元着色器：负责处理每个像素（或称片元）的颜色，它决定了屏幕上每个像素应该显示什么颜色。

Unity 中的 Shader 资源

在 Unity 中，Shader 资源本身并不直接执行渲染，它更像是一个“蓝图”或“配方”，定义了渲染所需的 Pass（通道）和属性，Unity 会根据这个蓝图，生成真正在 GPU 上运行的代码。

ShaderLab 基础结构

ShaderLab 是 Unity 用来编写 Shader 的一种专用语言，它封装了底层的 CG/HLSL 代码，并提供了一些 Unity 特有的功能，如渲染队列、渲染状态设置等。

一个基本的 Shader 结构如下：

（图片来源网络，侵删）

Shader "Tutorial/MyFirstShader" {
    Properties {
        // 在材质面板上显示的属性
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        // 定义渲染 Pass
        Pass {
            // 设置渲染状态
            // CG/HLSL 代码放在这里
        }
    }
    // 可以定义多个 SubShader，用于兼容不同硬件
    FallBack "Diffuse"
}

第一个 Shader：创建一个纯色材质

让我们创建一个最简单的 Shader，它只输出一个固定的颜色。

在 Project 窗口中，右键 -> Create -> Shader -> Standard Surface Shader，将其命名为 MyUnlitShader。
打开 MyUnlitShader，删除所有 Surface Shader 相关的代码，保留最基础的 ShaderLab 结构。
我们将使用一个 Pass 来直接输出颜色。

Shader "Tutorial/MyUnlitShader" {
    Properties {
        _MainColor ("Main Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        Pass {
            CGPROGRAM
            // 顶点着色器函数名
            #pragma vertex vert
            // 片元着色器函数名
            #pragma fragment frag
            // 从 Properties 声明变量，以便在 CG 代码中使用
            fixed4 _MainColor;
            // 定义顶点着色器的输入结构
            struct appdata {
                float4 vertex : POSITION;
            };
            // 定义从顶点着色器传递到片元着色器的结构
            struct v2f {
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };
            // 顶点着色器
            v2f vert (appdata v) {
                v2f o;
                // 将顶点位置从模型空间转换到裁剪空间
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                return o;
            }
            // 片元着色器
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
                // 直接返回主颜色
                return _MainColor;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Unlit/Texture"
}

创建一个新材质,将这个 Shader 赋给它，然后将材质拖到场景中的物体上，你就能看到物体变成了你设置的颜色。

代码解释：

#pragma vertex vert 和 #pragma fragment frag：告诉编译器我们的顶点和片元着色器函数分别叫什么。
struct appdata：定义了从 Unity 传递给顶点着色器的原始数据，这里我们只需要顶点位置 POSITION。
struct v2f：定义了从顶点着色器传递给片元着色器的数据。SV_POSITION 是片元着色器必需的，表示像素在屏幕上的位置。
vert 函数：将顶点位置通过 UnityObjectToClipPos 转换为裁剪空间坐标，这是渲染到屏幕前的必要步骤。
frag 函数：直接返回 _MainColor，所以整个物体都显示这个颜色。

第二部分：核心概念 - CG/HLSL 着色器语言

什么是 CG/HLSL？

CG (C for Graphics) 是 NVIDIA 开发的一种着色器语言，而 HLSL (High-Level Shading Language) 是微软 DirectX 使用的语言，两者非常相似，在 Unity 中，我们通常使用 HLSL 语法。

顶点着色器 vs. 片元着色器

顶点着色器：处理顶点，它的工作是计算顶点的最终位置，并可以传递一些数据（如颜色、UV、法线）给片元着色器，处理的顶点数量远少于像素数量。
片元着色器：处理像素，它接收来自顶点着色器的数据，并进行插值，然后计算出每个像素的最终颜色。

关键数据结构：`v2f` (vertex to fragment)

v2f 是连接顶点和片元着色器的桥梁，你需要在顶点着色器中为它填充数据，然后在片元着色器中使用它，如果你想使用纹理，就需要将 UV 坐标从顶点着色器传递到片元着色器。

struct v2f {
    float4 vertex : SV_POSITION; // 像素位置
    float2 uv : TEXCOORD0;       // UV 坐标
};

在顶点着色器中： o.uv = v.uv;

在片元着色器中： fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

内置变量与函数

Unity 提供了大量内置变量和函数来简化开发，

UnityObjectToClipPos(v.vertex): 模型空间 -> 裁剪空间
tex2D(sampler, uv): 采样 2D 纹理
_WorldSpaceLightPos0: 世界空间的光源位置
_LightColor0: 光源颜色

Unity 中的坐标空间

理解不同空间之间的转换是 Shader 编写的核心。

Object Space (模型空间): 以物体自身中心为原点的坐标系。
World Space (世界空间): 以场景世界原点为原点的坐标系。
View Space (观察空间): 以摄像机为原点的坐标系。
Clip Space (裁剪空间): 经过投影变换后的坐标系，用于光栅化。

第三部分：实用 Shader 编写

基础光照模型：Lambert 反射

Lambert 模型是最简单的漫反射光照模型，它模拟了粗糙表面的光照效果。

原理：像素颜色 = 材质颜色 × 光源颜色 × max(0, 法线与光线方向的点积)

// 在 Pass 中
fixed4 _DiffuseColor;
fixed4 _LightColor;
// 顶点着色器中计算光照方向和法线，并传递给片元着色器
v2f vert (appdata v) {
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    // 计算世界空间法线
    o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
    // 计算世界空间光线方向
    o.worldLightDir = UnityWorldSpaceLightDir(v.vertex);
    return o;
}
// 片元着色器中进行最终计算
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
    // 归一化向量
    fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
    fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);
    // 计算点积（N dot L）
    fixed NdotL = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
    // 最终颜色 = 材质色 × 光源色 × 点积结果
    fixed3 finalColor = _DiffuseColor.rgb * _LightColor.rgb * NdotL;
    return fixed4(finalColor, 1.0);
}

纹理

纹理是一张图片,它被“包裹”在 3D 模型表面，通过 UV 坐标来确定每个像素对应纹理上的哪个位置。

步骤：

在 Properties 中声明一个 2D 纹理：_MainTex ("Main Texture", 2D) = "white" {}
在 CG 代码中声明对应的变量：sampler2D _MainTex;
在 v2f 结构中添加 UV 传递：float2 uv : TEXCOORD0;
在顶点着色器中传递 UV：o.uv = v.uv;
在片元着色器中采样纹理：fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
将纹理颜色与光照结果相乘。

法线贴图

法线贴图是一种特殊的纹理,它不存储颜色，而是存储每个像素的表面法线信息，通过修改光照计算，可以在低模上表现出高模的细节。

原理：用纹理中的法线信息替换或修改模型原有的法线，然后进行光照计算。

关键：需要 UnpackNormal 函数来解码法线贴图（因为它通常是 DXT5 压缩格式，并存储在 RGB 通道中）。

sampler2D _NormalTex;
fixed4 _NormalTex_ST; // 用于控制 UV 缩放和偏移
// 在顶点着色器中
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _NormalTex);
// 在片元着色器中
fixed3 normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalTex, i.uv));
// 然后使用这个 'normal' 进行 NdotL 计算

透明度

透明效果通过修改像素的 Alpha 通道实现。

步骤：

在 Properties 中声明一个控制透明度的变量：_Alpha ("Alpha", Range(0,1)) = 1
在 SubShader 的 Tags 中指定渲染类型：Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" }

在 Pass 中设置混合模式：

Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // 标准透明混合
ZWrite Off // 关闭深度写入，避免透明物体互相遮挡时出错

在片元着色器中设置最终颜色的 Alpha 值：return fixed4(finalColor, _Alpha);

卡通渲染

卡通渲染的核心思想是：将光照计算结果离散化，而不是平滑的渐变。

方法：对 NdotL 的结果进行取整或阶梯处理。

// 在 frag 函数中
float NdotL = dot(worldNormal, worldLightDir);
NdotL = saturate(NdotL);
// 阶梯处理
float steps = 5.0;
float stepNdotL = floor(NdotL * steps) / steps;
// 或者使用 smoothstep 创建硬边
float rim = 1.0 - NdotL;
float rimThreshold = 0.1;
float rimIntensity = smoothstep(rimThreshold, rimThreshold + 0.1, rim);
fixed3 finalColor = _DiffuseColor.rgb * _LightColor.rgb * stepNdotL + rimIntensity * _RimColor.rgb;

第四部分：高级主题

Surface Shader

Surface Shader 是 Unity 提供的一个强大工具，它极大地简化了与 Unity 内置光照模型的交互，你只需要编写 surf 函数，Unity 会自动帮你处理顶点着色器、片元着色器、光照计算等所有复杂部分。

Shader "Tutorial/SimpleSurfaceShader" {
    Properties {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert
        sampler2D _MainTex;
        fixed4 _Color;
        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

Shader Variant & Keywords

Shader Keywords 允许你在一个 Shader 中实现多种配置，而无需创建多个 Shader 文件，这对于优化（如开启/关闭特效）和灵活性非常有用。

使用方法：

在 Shader 中定义关键字：#pragma shader_feature FEATURE_KEYWORD
在材质面板上,通过 Keywords 字段来启用或禁用它。
在 CG 代码中，使用 #ifdef FEATURE_KEYWORD 来判断。

Unity 会为所有启用的关键字组合单独编译一个 Shader Variant，以避免运行时判断带来的性能开销。

自定义光照模型

如果你不满足于 Unity 提供的 Lambert、Phong 等光照模型，可以自己编写。

步骤：

在 Surface Shader 的 #pragma 指令中指定你的光照模型函数：#pragma surface surf MyLightingModel

编写一个光照模型函数,其签名必须符合 Unity 的规范：

fixed4 LightingMyLightingModel (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten) {
    // 在这里编写你的光照计算逻辑
    fixed NdotL = saturate(dot(s.Normal, lightDir));
    fixed4 c;
    c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL * atten;
    c.a = s.Alpha;
    return c;
}

后处理效果

后处理是在整个场景渲染到屏幕后,再对最终图像进行全局处理的技术，泛光、灰度、颜色滤镜等。

实现方法：

创建一个使用 Image Effect Shader 的脚本。
创建一个特殊的 Shader，它只渲染一个覆盖全屏的四边形。
在 Shader 的片元着色器中，对输入的屏幕图像（通过 _MainTex 采样）进行处理。

GPU Instancing

GPU Instancing 允许 GPU 在一次绘制调用中渲染多个相同的物体，极大地提升了性能（如渲染大量草地、树木）。

启用方法：

在 Shader 的 Pass 中添加指令：#pragma multi_compile_instancing
对于每个需要实例化的属性,使用 UNITY_INSTANCING_BUFFER_START 和 UNITY_INSTANCING_BUFFER_END 来定义。

第五部分：学习资源与最佳实践

开发工具

Unity Shader Graph：一个节点式的 Shader 编写工具，非常适合初学者和快速原型开发，无需编写代码。
Amplify Shader Editor：功能强大的第三方节点式 Shader 编辑器。
RenderDoc：一个图形调试工具，可以让你实时查看渲染的每一帧，检查纹理、着色器输入输出等，是排查 Shader Bug 的利器。

最佳实践

从简单开始：先实现一个纯色 Shader，再逐步添加纹理、光照等。
理解原理：不要只复制粘贴代码，理解每个函数、每个变量的作用，尤其是坐标空间的转换。
善用官方示例：Unity 自带了很多示例 Shader（在 Assets > Import Package > Effects 中），仔细研究它们。
性能优化：
- 尽量减少计算量,尤其是在片元着色器中。
- 合理使用 Shader Keywords 和 Variants。
- 避免在片元着色器中进行分支判断（if/else），可以使用 step、lerp 等数学函数代替。
- 对不需要高精度的变量使用低精度类型（如 half, fixed）。
版本控制：Shader 文件是文本文件，非常适合使用 Git 进行版本管理。

希望这份指南能为你打开 Unity Shader 的大门，Shader 编程是一门艺术，也是一门科学，需要大量的练习和耐心，祝你学习愉快！

unity shader 教程

Unity Shader 完整学习指南

目录

第一部分：基础入门

什么是 Shader？

Unity 中的 Shader 资源

ShaderLab 基础结构

第一个 Shader：创建一个纯色材质

第二部分：核心概念 - CG/HLSL 着色器语言

什么是 CG/HLSL？

顶点着色器 vs. 片元着色器

关键数据结构：v2f (vertex to fragment)

内置变量与函数

Unity 中的坐标空间

第三部分：实用 Shader 编写

基础光照模型：Lambert 反射

纹理

法线贴图

透明度

卡通渲染

第四部分：高级主题

Surface Shader

Shader Variant & Keywords

自定义光照模型

后处理效果

GPU Instancing

第五部分：学习资源与最佳实践

推荐资源

开发工具

最佳实践

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