Why Bothers？

为什么已经有ShaderForge这种可视化Shader编辑器、为什么Asset Store已经有那么多炫酷的Shader组件可下载，还是有必要学些Shader的编写？

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• 因为上面这些Shader工具/组件最终都是以Shader文件的形式而存在。
• 需要开发人员/技术美术有能力对Shader进行功能分析、效率评估、选择、优化、兼容、甚至是Debug。
• 对于特殊的需求，可能还是直接编写Shader比较实际、高效。

总之，Shader编写是重要的；但至于紧不紧急，视乎项目需求。

涉及范围

本文只讨论Unity ShaderLab相关的知识和使用方法。但，

• 既不讨论渲染相关的基础概念，基础概念可参考Rendering Pipeline Overview等文章。
• 也不讨论具体的渲染技巧
• 移动设备GPU和桌面设备GPU硬件架构上有较多不同点，详见下面的“移动设备GPU架构简述”一章。

使用Shader

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如上图，一句话总结：

1. GameObject里有MeshRenderer，
2. MeshRenderer里有Material列表，
3. 每个Material里有且只有一个Shader；
4. Material在编辑器暴露该Shader的可调属性。

所以关键是怎么编写Shader。

Shader基础

编辑器

使用MonoDevelop这反人类的IDE来编写Shader居然是让人满意的。有语法高亮，无语法提示。
如果习惯VisualStudio，可以如下实现.Shader文件的语法高亮。

• 下载作者donaldwu自己添加的关键词文件usertype.dat。其包括了Unity ShaderLab的部分关键字，和HLSL的所有关键字。关键字以后持续添加中。
• 将下载的usertype.dat放到Microsoft Visual Studio xx.x\CommonX\IDE\文件夹下；
• 打开VS，工具>选项>文本编辑器>文件扩展名，扩展名里填“shader”，编辑器选VC++，点击添加；
• 重启VS，Done。

Shader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{    // ...}

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Shader的名字会直接决定shader在material里出现的路径

SubShader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {    SubShader    {        //...    }}

一个Shader有多个SubShader。一个SubShader可理解为一个Shader的一个渲染方案。即SubShader是为了针对不同的渲染情况而编写的。每个Shader至少1个SubShader、理论可以无限多个，但往往两三个就足够。
一个时刻只会选取一个SubShader进行渲染，具体SubShader的选取规则包括：

• 从上到下选取
• SubShader的标签、Pass的标签
  • 是否符合当前的“Unity渲染路径”
  • 是否符合当前的ReplacementTag
• SubShader是否和当前的GPU兼容
• 等

按此规则第一个被选取的SubShader将会用于渲染，未被选取的SubShader在这次渲染将被忽略。

SubShader的Tag

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {    SubShader    {        Tags { "Queue"="Geometry+10" "RenderType"="Opaque" }        //...    }}

SubShader内部可以有标签（Tags）的定义。Tag指定了这个SubShader的渲染顺序（时机），以及其他的一些设置。

• "RenderType"标签。Unity可以运行时替换符合特定RenderType的所有Shader。Camera.RenderWithShader或Camera.SetReplacementShader配合使用。Unity内置的RenderType包括：
  • "Opaque"：绝大部分不透明的物体都使用这个；
  • "Transparent"：绝大部分透明的物体、包括粒子特效都使用这个；
  • "Background"：天空盒都使用这个；
  • "Overlay"：GUI、镜头光晕都使用这个；
  • 用户也可以定义任意自己的RenderType这个标签所取的值。
  • 应注意，Camera.RenderWithShader或Camera.SetReplacementShader不要求标签只能是RenderType，RenderType只是Unity内部用于Replace的一个标签而已，你也可以自定义自己全新的标签用于Replace。
    比如，你为自己的ShaderA.SubShaderA1（会被Unity选取到的SubShader，常为Shader文件中的第一个SubShader）增加Tag为"Distort"="On"，然后将"Distort"作为参数replacementTag传给函数。此时，作为replacementShader实参的ShaderB.SubShaderB1中若有也有一模一样的"Distort"="On"，则此SubShaderB1将代替SubShaderA1用于本次渲染。
  • 具体可参考Rendering with Replaced Shaders
• "Queue"标签。定义渲染顺序。预制的值为
  • "Background"。值为1000。比如用于天空盒。
  • "Geometry"。值为2000。大部分物体在这个队列。不透明的物体也在这里。这个队列内部的物体的渲染顺序会有进一步的优化（应该是从近到远，early-z test可以剔除不需经过FS处理的片元）。其他队列的物体都是按空间位置的从远到近进行渲染。
  • "AlphaTest"。值为2450。已进行AlphaTest的物体在这个队列。
  • "Transparent"。值为3000。透明物体。
  • "Overlay"。值为4000。比如镜头光晕。
  • 用户可以定义任意值，比如"Queue"="Geometry+10"
• "ForceNoShadowCasting"，值为"true"时，表示不接受阴影。
• "IgnoreProjector"，值为"true"时，表示不接受Projector组件的投影。

另，关于渲染队列和Batch的非官方经验总结是，一帧的渲染队列的生成，依次决定于每个渲染物体的：

• Shader的RenderType tag,
• Renderer.SortingLayerID,
• Renderer.SortingOrder,
• Material.renderQueue（默认值为Shader里的"Queue"）,
• Transform.z(ViewSpace)（默认为按z值从前到后，但当Queue是“Transparent”的时候，按z值从后到前）。

这个渲染队列决定了之后（可能有dirty flag的机制？）渲染器再依次遍历这个渲染队列，“同一种”材质的渲染物体合到一个Batch里。

Pass

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {    SubShader {        Pass        {            //...        }    }}

一个SubShader（渲染方案）是由一个个Pass块来执行的。每个Pass都会消耗对应的一个DrawCall。在满足渲染效果的情况下尽可能地减少Pass的数量。

Pass的Tag

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader" {    SubShader {        Pass        {            Tags{ "LightMode"="ForwardBase" }            //...        }    }}

和SubShader有自己专属的Tag类似，Pass也有Pass专属的Tag。
其中最重要Tag是 "LightMode"，指定Pass和Unity的哪一种渲染路径（“Rendering Path”）搭配使用。除最重要的ForwardBase、ForwardAdd外，这里需额外提醒的Tag取值可包括：

• Always，永远都渲染，但不处理光照
• ShadowCaster，用于渲染产生阴影的物体
• ShadowCollector，用于收集物体阴影到屏幕坐标Buff里。

其他渲染路径相关的Tag详见下面章节“Unity渲染路径种类”。
具体所有Tag取值，可参考ShaderLab syntax: Pass Tags。

FallBack

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{    SubShader { Pass {} }    FallBack "Diffuse" // "Diffuse"即Unity预制的固有Shader    // FallBack Off //将关闭FallBack}

当本Shader的所有SubShader都不支持当前显卡，就会使用FallBack语句指定的另一个Shader。FallBack最好指定Unity自己预制的Shader实现，因其一般能够在当前所有显卡运行。

Properties

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{    Properties {    _Range ("My Range", Range (0.02,0.15)) = 0.07 // sliders    _Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color    _2D ("My Texture 2D", 2D) = "" {} // textures    _Rect("My Rectangle", Rect) = "name" { }    _Cube ("My Cubemap", Cube) = "name" { }    _Float ("My Float", Float) = 1    _Vector ("My Vector", Vector) = (1,2,3,4)    // Display as a toggle.    [Toggle] _Invert ("Invert color?", Float) = 0    // Blend mode values    [Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)] _Blend ("Blend mode", Float) = 1    //setup corresponding shader keywords.    [KeywordEnum(Off, On)] _UseSpecular ("Use Specular",  Float) = 0    }    // Shader    SubShader{        Pass{          //...          uniform float4 _Color;          //...          float4 frag() : COLOR{ return fixed4(_Color); }          //...             #pragma multi_compile __ _USESPECULAR_ON          }    }    //fixed pipeline    SubShader    {        Pass{            Color[_Color]        }    }}

• Shader在Unity编辑器暴露给美术的参数，通过Properties来实现。
• 所有可能的参数如上所示。主要也就Float、Vector和Texture这3类。
• 除了通过编辑器编辑Properties，脚本也可以通过Material的接口（比如SetFloat、SetTexture编辑）
• 之后在Shader程序通过[name]（固定管线）或直接name（可编程Shader）访问这些属性。
• 在每一个Property前面也能类似C#那样添加Attribute，以达到额外UI面板功能。详见MaterialPropertyDrawer.html。

Shader中的数据类型

有3种基本数值类型：float、half和fixed。
这3种基本数值类型可以再组成vector和matrix，比如half3是由3个half组成、float4x4是由16个float组成。

• float：32位高精度浮点数。
• half：16位中精度浮点数。范围是[-6万, +6万]，能精确到十进制的小数点后3.3位。
• fixed：11位低精度浮点数。范围是[-2, 2]，精度是1/256。

数据类型影响性能

• 精度够用就好。
  • 颜色和单位向量，使用fixed
  • 其他情况，尽量使用half（即范围在[-6万, +6万]内、精确到小数点后3.3位）；否则才使用float。

ShaderLab中的Matrix

当提到“Row-Major”、“Column-Major”，根据不同的场合，它们可能指不同的意思：

• 数学上的，主要是指矢量V是Row Vector、还是Column Vector。引用自[Game Engine Architecture 2nd Edition, 183]。留意到V和M的乘法，当是Row Vector的时候，数学上写作VM，Matrix在右边，Matrix的最下面一行表示Translate；当是Column Vector的时候，数学上写作MtVt，Matrix在左边并且需要转置，Matrix最右面一列表示Translate。
• 访问接口上的：Row-Major即MyMatrix[Row][Column]、Column-Major即MyMatrix[Column][Row]。HLSL/CG的访问接口都是Row-Major，比如MyMatrix[3]返回的是第3行；GLSL的访问接口是Column-Major，比如MyMatrix[3]返回的是第3列。
• 寄存器存储上的：每个元素是按行存储在寄存器中、还是按列存储在寄存器中。需要关注它的一般情况举例是，float2x3的MyMatrix，到底是占用2个寄存器（Row-Major）、还是3个寄存器（Column-Major）。在HLSL里，可以通过#pragmapack_matrix设定row_major或者column_major。

上述情况，互不相干。
然后，ShaderLab中，数学上是Column Vector、访问接口上是Row-Major、存储上是（尚未查明）。

ShaderLab中各个Space的坐标系

一般情况下，从Vertex Buff输入顶点到Vertex Shader，

• 该顶点为左手坐标系Model Space中的顶点vInModel，
  其用w=1的Homogenous Cooridniates（故等效于Cartesian Coordinates）表达vInModel = float4(xm, ym, zm, 1)；
• vInWrold = mul(_Object2World , vInModel)后，得出左手坐标系World Space中的vInWorld，其为w=1的Homogenous Cooridniates（故等效于Cartesian Coordinates）vInWorld = float4(xw, yw, zw, 1)；
• vInView = mul(UNITY_MATRIX_V , vInWrold)后，得出右手坐标系View Space中的vInView，其为w=1的Homogenous Cooridniates（故等效于Cartesian Coordinates）vInWorld = float4(xv, yv, zv, 1)；
• vInClip = mul(UNITY_MATRIX_P , vInView)后，得出左手坐标系Clip Space中的vInClip，其为w往往不等于1的Homogenous Cooridniates（故往往不等效于Cartesian Coordinates）vInClip = float4(xc, yc, zc, wc)；
  设r、l、t、b、n、f的长度绝对值如下图：
  
  
  

   
  
  注意View Space中摄像机前方的z值为负数、-z为正数。则GL/DX/Metal的Clip Space坐标为：
  • GL:
    • xc=(2nx+rz+lz)/(r-l);
    • yc=(2ny+tz+bz)/(t-b);
    • zc=(-fz-nz-2nf)/(f-n);
    • wc=-z;
  • DX/Metal:
    • xc=(2nx+rz+lz)/(r-l);
    • yc=(2ny+tz+bz)/(t-b);
    • zc=(-fz-nf)/(f-n);
    • wc=-z;
• vInNDC = vInClip / vInClip.w后，得出左手坐标系Normalized Device Coordinates中的vInNDC，其为w=1的Homogenous Cooridniates（故等效于Cartesian Coordinates）vInNDC = float4(xn, yn, zn, 1)。
  xn和yn的取值范围为[-1,1]。
  • GL: zn=zc/wc=(fz+nz+2nf)/((f-n)z);
  • DX/Metal: zn=zc/wc=(fz+nf)/((f-n)z);
  • 在Unity中，zn的取值范围可以这样决定：
    • 如果UNITY_REVERSED_Z已定义，zn的取值范围是[UNITY_NEAR_CLIP_VALUE, 0]，即[1,0]
    • 如果UNITY_REVERSED_Z未定义，zn的取值范围是[UNITY_NEAR_CLIP_VALUE, 1]
      • 如果SHADER_API_D3D9/SHADER_API_D3D11_9X定义了，即[0,1]
      • 否则，即OpenGL情况，即[-1,1]

v2f vert (appdata v){    v2f o;    o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);    // 1 、2、3是等价的，和4是不等价的    // 因为是M在左、V在右，所以是Column Vector    // 因为是HLSL/CG语言，所以是访问方式是Row-Major    o.rootInView = mul(UNITY_MATRIX_MV, float4(0, 0, 0, 1)); // 1    o.rootInView = float4(UNITY_MATRIX_MV[0].w, UNITY_MATRIX_MV[1].w, UNITY_MATRIX_MV[2].w, 1); // 2                    o.rootInView = UNITY_MATRIX_MV._m03_m13_m23_m33;  // 3    //o.rootInView = UNITY_MATRIX_MV[3]; // 4    return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{    // 因为是ViewSpace是右手坐标系，所以当root在view前面的时候，z是负数，所以需要-z才能正确显示颜色    fixed4 col = fixed4(i.rootInView.x, i.rootInView.y, -i.rootInView.z, 1);    return col;}struct appdata{    float4 vertex : POSITION;};struct v2f{    float4 rootInView : TEXCOORD0;    float4 vertex : SV_POSITION;};

Shader形态

Shader形态之1：固定管线

固定管线是为了兼容老式显卡。都是顶点光照。之后固定管线可能是被Unity抛弃的功能，所以最好不学它、当它不存在。特征是里面出现了形如下面Material块、没有CGPROGRAM和ENDCG块。

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{    Properties {    _Color ("My Color", Color) = (.34, .85, .92, 1) // color    }    // Fixed Pipeline    SubShader    {        Pass        {            Material{            Diffuse [_Color]            Ambient [_Color]            }            Lighting On        }    }}

Shader形态之2：可编程Shader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{    Properties {}    SubShader    {        Pass        {          // ... the usual pass state setup ...          CGPROGRAM          // compilation directives for this snippet, e.g.:          #pragma vertex vert          #pragma fragment frag          // the Cg/HLSL code itself          float4 vert(float4 v:POSITION) : SV_POSITION{              return mul(UNITY_MATRIX_MVP, v);          }          float4 frag() : COLOR{              return fixed4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);          }          ENDCG          // ... the rest of pass setup ...          }    }}

• 功能最强大、最自由的形态。
• 特征是在Pass里出现CGPROGRAM和ENDCG块
• 编译指令#pragma。详见官网Cg snippets。其中重要的包括：

• 引用库。通过形如#include "UnityCG.cginc"引入指定的库。常用的就是UnityCG.cginc了。其他库详见官网Built-in shader include files。
• ShaderLab内置值。Unity给Shader程序提供了便捷的、常用的值，比如下面例子中的UNITY_MATRIX_MVP就代表了这个时刻的MVP矩阵。详见官网ShaderLab built-in values。
• Shader输入输出参数语义（Semantics）。在管线流程中每个阶段之间（比如Vertex Shader阶段和FragmentShader阶段之间）的输入输出参数，通过语义字符串，来指定参数的含义。常用的语义包括：COLOR、SV_Position、TEXCOORD[n]。完整的参数语义可见HLSL Semantic（由于是HLSL的连接，所以可能不完全在Unity里可以使用）。
• 特别地，因为Vertex Shader的的输入往往是管线的最开始，Unity为此内置了常用的数据结构：

Shader形态之3：SurfaceShader

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{    Properties {   }    // Surface Shader    SubShader {      Tags { "RenderType" = "Opaque" }      CGPROGRAM      #pragma surface surf Lambert      struct Input {          float4 color : COLOR;      };      void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {          o.Albedo = 1;      }      ENDCG    }    FallBack "Diffuse"}

• SurfaceShader可以认为是一个光照Shader的语法糖、一个光照VS/FS的生成器。减少了开发者写重复代码的需要。
• 在手游，由于对性能要求比较高，所以不建议使用SurfaceShader。因为SurfaceShader是一个比较“通用”的功能，而通用往往导致性能不高。
• 特征是在SubShader里出现CGPROGRAM和ENDCG块。（而不是出现在Pass里。因为SurfaceShader自己会编译成多个Pass。）
• 编译指令是：
  #pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]
  • surfaceFunction：surfaceShader函数，形如void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
  • lightModel：使用的光照模式。包括Lambert（漫反射）和BlinnPhong（镜面反射）。
    • 也可以自己定义光照函数。比如编译指令为#pragma surface surf MyCalc
      • 在Shader里定义half4 LightingMyCalc (SurfaceOutput s, 参数略)函数进行处理(函数名在签名加上了“Lighting”）。
      • 详见Custom Lighting models in Surface Shaders
• 你定义输入数据结构（比如上面的Input）、编写自己的Surface函数处理输入、最终输出修改过后的SurfaceOutput。SurfaceOutput的定义为

  struct SurfaceOutput {  half3 Albedo; // 纹理颜色值（r, g, b)  half3 Normal; // 法向量(x, y, z)  half3 Emission; // 自发光颜色值(r, g, b)  half Specular; // 镜面反射度  half Gloss; // 光泽度  half Alpha; // 不透明度};

Shader形态之4：Compiled Shader

点击a.shader文件的“Compile and show code”，可以看到该文件的“编译”过后的ShaderLab shader文件，文件名形如Compiled-a.shader。
其依然是ShaderLab文件，其包含最终提交给GPU的shader代码字符串。
先就其结构进行简述如下，会发现和上述的编译前ShaderLab结构很相似。

// Compiled shader for iPhone, iPod Touch and iPad, uncompressed size: 36.5KB// Skipping shader variants that would not be included into build of current scene.Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{    Properties {...}    SubShader {        // Stats for Vertex shader:        //        gles : 14 avg math (11..19), 1 avg texture (1..2)        //       metal : 14 avg math (11..17)        // Stats for Fragment shader:        //       metal : 14 avg math (11..19), 1 avg texture (1..2)        Pass {            Program "vp" // vertex program            {                SubProgram "gles" {                    // Stats: 11 math, 1 textures                    Keywords{...} // keywords for shader variants ("uber shader")                    //shader codes in string                    "                    #ifdef VERTEX                    vertex shader codes                    #endif                    // Note, on gles, fragment shader stays here inside Program "vp"                    #ifdef FRAGMENT                    fragment shader codes                    #endif                    "                 }                SubProgram "metal"  {                    some setup                    Keywords{...}                    //vertex shader codes in string                    "..."                }            }            Program "fp" // fragment program            {                SubProgram "gles" {                    Keywords{...}                    "// shader disassembly not supported on gles" //(because gles fragment shader codes are in Program "vp")                 }                SubProgram "metal" {                    common setup                    Keywords{...}                    //fragment shader codes in string                    "..."                }            }        }    }    ...}

Unity渲染路径（Rendering Path）种类

概述

开发者可以在Unity工程的PlayerSettings设置对渲染路径进行3选1：

• Deferred Lighting，延迟光照路径。3者中最高质量地还原光照阴影。光照性能只与最终像素数目有关，光源数量再多都不会影响性能。
• Forward Rendering，顺序渲染路径。能发挥出Shader全部特性的渲染路径，当然也就支持像素级光照。最常用、功能最自由，性能与光源数目*受光照物体数目有关，具体性能视乎其具体使用到的Shader的复杂度。
• Vertex Lit，顶点光照路径。顶点级光照。性能最高、兼容性最强、支持特性最少、品质最差。

渲染路径的内部阶段和Pass的LightMode标签

每个渲染路径的内部会再分为几个阶段。
然后，Shader里的每个Pass，都可以指定为不同的LightMode。而LightMode实际就是说：“我希望这个Pass在这个XXX渲染路径的这个YYY子阶段被执行”。

Deferred Ligting

Forward Rendering

注意到的是，在Forward Rendering中，光源可能是像素级光源、顶点级光源或SH光源。其判断标准是：

• 配制成“Not Important”的光源都是顶点级光源和SH光源
• 最亮的方向光永远都是像素级光源
• 配置成“Important”的都是像素级光源
• 上面2种情况加起来的像素级光源数目小于“Quality Settings”里面的“Pixel Light Count”的话，会把第1种情况的光源补为额外的像素级光源。

另外，配置成“Auto”的光源有更复杂的判断标注，截图如下：

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具体可参考Forward Rendering Path Details。

Vertex Lit

不同LightMode的Pass的被选择

一个工程的渲染路径是唯一的，但一个工程里的Shader是允许配有不同LightMode的Pass的。
在Unity，策略是“从工程配置的渲染路径模式开始，按Deferred、Forward、VertxLit的顺序，搜索最匹配的LightMode的一个Pass”。
比如，在配置成Deferred路径时，优先选有Deferred相关LightMode的Pass；找不到才会选Forward相关的Pass；还找不到，才会选VertexLit相关的Pass。
再比如，在配置成Forward路径时，优先选Forward相关的Pass；找不到才会选VertexLit相关的Pass。

移动设备GPU架构简述

《The Mali GPU: An Abstract Machine》系列以Arm Mali GPU为例子给出了全面的讨论，现简述如下：

• Part 1 - Frame Pipelining
  • Application/Geometry/Fragment三阶段组成，三者中最大才是瓶颈
  • OpenGL的同步API是个“illusion”，事实上是CommandQueue（直到遇到Fence会被强制同步）,以减少CPU/GPU之间的互相等待
  • Pipeline Throttle，为了更低的延迟，当GPU累积了多帧（往往是3帧，以eglSwapBuffers()或Present()来区分帧）的Command时，OS会通过eglSwapBuffers()或Present()来阻塞CPU让其进入idle，从而防止更多后续Command的提交
• Part 2 - Tile-based Rendering
  • tile-based deferred rendering （Wiki，PowerVR/Mali/Adreno）是重要的概念。其将Fragment一帧处理多个比如16x16的单元，并为Shader集成一个小但快的cache，从而大幅避免Shader和主内存之间带宽消耗（电量消耗）
• Part 3 - The Midgard Shader Core
  • GPU包含数个（当前常见为4-8个）Unified Shading Core，可动态分配用于Vertex Shader、Fragment Shader或Compute Kernel
  • 每个Unified Shader Core包含数个（当前常见为2个）用于SIMD计算的运算器Arithmetic Pipeline（A-pipe），1个用于纹理采样的Texutre Pipeline（T-pipe），1个用于非纹理类的内存读写的Load/Store Pipeline（LS-pipe）比如顶点属性写读、变量访问等
  • 会进行Early-ZS测试尝试减少Overdraw（依赖于渲染物体提交顺序由前至后）
  • Arm的Forward Pixel Kill和PowerVR的Hidden Surface Removal做到像素级别的Overdraw减少（不用依赖于渲染物体提交顺序由前至后）
  • 当Shader使用discard或clip、在Fragment Shader里修改深度值、半透明，将不能进行Early-ZS，只好使用传统的Late-ZS
• Part 4 - The Bifrost Shader Core
  • 2016年的新型号，对架构作出了优化

参考资源

• Youtube：https://www.youtube.com/watch?v=hDJQXzajiPg （包括part1-6）。视频是最佳的入门方式没有之一，所以墙裂建议就算不看下文的所有内容，都要去看一下part1。
• 书籍：《Unity 3D ShaderLab开发实战详解》
• Unity各种官方文档

Unity ShaderLab学习总结