Unity Shader片段着色器使用基础详解

Unity中的Shader（着色器）用于控制游戏对象的渲染方式，让它们变得更加美观、细致。Shader分为顶点着色器和片段着色器，这篇攻略主要介绍Unity中片段着色器的使用基础，可以帮助开发者更加细致地控制对象的渲染方式。

Shader基础知识

在进入片段着色器的详细使用说明前，我们先来了解一些Shader的基础知识：

• Shader程序：Shader程序是一个小型程序，它可以用来控制材质表面的渲染效果。在Unity中，Shader是由着色器语言编写的，可以用许多内置的和自定义的函数来描述。

• ShaderLab语言：这是Unity的一种语言，它用于描述材质、纹理、渲染队列、某个材质的Shader和其它属性。它是一种易于阅读和编写的语言，并且易于维护。

• Uniform变量：这种变量是可编程的，它的值可以被修改，而且在绘制物体时，它是不一样的，又称之为上传的变量。比如说，全局变量或者纹理。

有了以上的基础知识，我们就可以更好地理解Unity中片段着色器的使用方法。

片段着色器

片段着色器是一种Shader编程技巧，它用于描述一个像素的颜色和属性。它们的作用体现在单个像素上，包括光照模型、着色、透明度、阴影、反射和折射等效果。

片段着色器样例1

下面是一个Unity中片段着色器的基础代码：

Shader "Custom/MyFragmentShader" {
Properties {
    _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
}
SubShader {
    Tags {"Queue"="Transparent" "RenderType"="Opaque"}
    LOD 100

    Pass {
        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag

        struct appdata {
            float4 vertex : POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;
        };
        struct v2f {
            float2 uv : TEXCOORD0;
            float4 vertex : SV_POSITION;
        };

        sampler2D _MainTex;
        float4 _MainTex_ST;
        fixed4 _Color;

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

        fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
            fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;
            col.a = _Color.a * col.a;
            return col;
        }
        ENDCG
    }
}

在这个例子中，我们定义了一个名为“ Custom/MyFragmentShader”的着色器。在Properties区块中，我们定义了_MainTex（主纹理）和_Color（颜色）两个Uniform属性，同时它们的默认值分别为白色和纯白色。

在SubShader区块中，我们通过Tags指令定义了它们的渲染顺序和类型，并且设置了LOD(LOD表示level of details)

在内部的Pass语句中，我们定义了一个传递着色器的CGPROGRAM块，在这里我们定义了一个输入参数appdata和一个输出参数v2f。

vert函数定义了输入参数v并输出了v的顶点着色阶段的处理结果，同时重映射了_MainTex的uv坐标到图像的正确位置。固定函数TEXCOORD0包含了uv坐标， float4类型包含64位浮点数，表示精度很高的浮点坐标。

frag`函数定义了输入参数i并输出了颜色。在这个函数中，我们首先获取_MainTex的颜色，然后将它与颜色变量_Color进行乘法运算，最后将颜色的Alpha通道值设置为变量_Color的Alpha值，最终返回这个颜色值。

这么一看，Unity中的片段着色器相比OpenGL，其着色代码相对比较简单易用。

片段着色器样例2

现在，我们来看一个更复杂一点的例子。这个例子中，我们要使用屏幕空间反射技术让我们的地面反射画面中的物体。

Shader "Custom/ShaderExample" {
Properties {
    [HDR] _ReflColor ("Reflection Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
    _DiffuseColor ("Diffuse Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
    _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
}

SubShader {
    Tags { "RenderType"="Opaque" }
    CGPROGRAM
    #pragma surface surf Standard

    struct Input {
        float2 uv_MainTex; 
    };

    half4 _ReflColor;
    half4 _DiffuseColor;
    sampler2D _MainTex;
    float4 _MainTex_ST;

    void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) 
    {
        o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb * _DiffuseColor.rgb;
        o.Metallic = 0.5;
        o.Smoothness = 0.5;
        o.Normal = float3(0,0,1);
        o.Emission = _ReflColor.rgb * tex2D(_MainTex, reflect(IN.uv_MainTex, o.Normal)).rgb;
        o.Alpha = 1;
    }
    ENDCG
} 
FallBack "Diffuse"

在这个例子中，我们定义了一个名为“ Custom/ShaderExample”的着色器。在Properties区块中，我们定义了三个Uniform属性：_ReflColor和_DiffuseColor的颜色属性以及_MainTex的主纹理属性。

在SubShader区块中，我们通过Tags指令定义这个着色器的渲染类型为不透明的。在此后的CGPROGRAM块中，我们使用了 #pragma surface surf Standard 指令来使用Standard Shader Surface Functions。

这里的函数 surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)用于将输入的Mesh顶点所对应的表面输出为SurfaceOutputStandard的实例化对象，后续的混合、渲染、反射和折射拆分都是在o的实例上操作。

在这个例子中，我们使用了反射矩阵传入INPUT并用其获取屏幕空间反射的纹理坐标来改变当前表面的反射色。我们通过纹理采样方式tex2D把纹理坐标的颜色值结合DiffusColor和Diffuse纹理纹理颜色进行混合。

Shader的局限性

使用Unity内置的Shader是可以在游戏中实现很多复杂效果的。但是，由于Shader编程需要对OpenGL或Metal等底层渲染API有一定的了解，所以它对于新手来说可能有些陌生。同时，由于Shader的执行是在GPU上完成的，所以在某些情况下，Shader的执行会占用大量的系统资源，从而降低游戏的帧率。

另外，对于非高端设备的手机来说，也可能会出现一些兼容性问题，特别是一些老旧的手机。因此，在制作游戏时，我们需要对不同的设备进行适当的优化。