Why Bothers江场？

為什么已經(jīng)有ShaderForge這種可視化Shader編輯器澎办、為什么Asset Store已經(jīng)有那么多炫酷的Shader組件可下載嘲碱，還是有必要學(xué)些Shader的編寫(xiě)金砍？

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• 因?yàn)樯厦孢@些Shader工具/組件最終都是以Shader文件的形式而存在。
• 需要開(kāi)發(fā)人員/技術(shù)美術(shù)有能力對(duì)Shader進(jìn)行功能分析麦锯、效率評(píng)估恕稠、選擇、優(yōu)化扶欣、兼容鹅巍、甚至是Debug。
• 對(duì)于特殊的需求料祠，可能還是直接編寫(xiě)Shader比較實(shí)際骆捧、高效。

總之髓绽，Shader編寫(xiě)是重要的敛苇；但至于緊不緊急，視乎項(xiàng)目需求梧宫。

涉及范圍

本文只討論Unity ShaderLab相關(guān)的知識(shí)和使用方法。但摆碉，

• 既不討論渲染相關(guān)的基礎(chǔ)概念塘匣，基礎(chǔ)概念可參考Rendering Pipeline Overview等文章。
• 也不討論具體的渲染技巧
• 移動(dòng)設(shè)備GPU和桌面設(shè)備GPU硬件架構(gòu)上有較多不同點(diǎn)巷帝，詳見(jiàn)下面的“移動(dòng)設(shè)備GPU架構(gòu)簡(jiǎn)述”一章忌卤。

使用Shader

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如上圖，一句話總結(jié)：

1. GameObject里有MeshRenderer楞泼，
2. MeshRenderer里有Material列表驰徊，
3. 每個(gè)Material里有且只有一個(gè)Shader；
4. Material在編輯器暴露該Shader的可調(diào)屬性堕阔。

所以關(guān)鍵是怎么編寫(xiě)Shader棍厂。

Shader基礎(chǔ)

編輯器

使用MonoDevelop這反人類的IDE來(lái)編寫(xiě)Shader居然是讓人滿意的。有語(yǔ)法高亮超陆，無(wú)語(yǔ)法提示牺弹。
如果習(xí)慣VisualStudio，可以如下實(shí)現(xiàn).Shader文件的語(yǔ)法高亮时呀。

• 下載作者donaldwu自己添加的關(guān)鍵詞文件usertype.dat张漂。其包括了Unity ShaderLab的部分關(guān)鍵字，和HLSL的所有關(guān)鍵字谨娜。關(guān)鍵字以后持續(xù)添加中航攒。
• 將下載的usertype.dat放到Microsoft Visual Studio xx.x\CommonX\IDE\文件夾下；
• 打開(kāi)VS趴梢，工具>選項(xiàng)>文本編輯器>文件擴(kuò)展名漠畜，擴(kuò)展名里填“shader”币他，編輯器選VC++，點(diǎn)擊添加盆驹；
• 重啟VS圆丹，Done。

Shader

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

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Shader的名字會(huì)直接決定shader在material里出現(xiàn)的路徑

SubShader

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

一個(gè)Shader有多個(gè)SubShader躯喇。一個(gè)SubShader可理解為一個(gè)Shader的一個(gè)渲染方案辫封。即SubShader是為了針對(duì)不同的渲染情況而編寫(xiě)的。每個(gè)Shader至少1個(gè)SubShader廉丽、理論可以無(wú)限多個(gè)倦微，但往往兩三個(gè)就足夠。
一個(gè)時(shí)刻只會(huì)選取一個(gè)SubShader進(jìn)行渲染正压，具體SubShader的選取規(guī)則包括：

• 從上到下選取
• SubShader的標(biāo)簽欣福、Pass的標(biāo)簽
  • 是否符合當(dāng)前的“Unity渲染路徑”
  • 是否符合當(dāng)前的ReplacementTag
• SubShader是否和當(dāng)前的GPU兼容
• 等

按此規(guī)則第一個(gè)被選取的SubShader將會(huì)用于渲染，未被選取的SubShader在這次渲染將被忽略焦履。

SubShader的Tag

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

SubShader內(nèi)部可以有標(biāo)簽（Tags）的定義拓劝。Tag指定了這個(gè)SubShader的渲染順序（時(shí)機(jī)），以及其他的一些設(shè)置嘉裤。

• "RenderType"標(biāo)簽郑临。Unity可以運(yùn)行時(shí)替換符合特定RenderType的所有Shader。Camera.RenderWithShader或Camera.SetReplacementShader配合使用屑宠。Unity內(nèi)置的RenderType包括：
  • "Opaque"：絕大部分不透明的物體都使用這個(gè)厢洞；
  • "Transparent"：絕大部分透明的物體、包括粒子特效都使用這個(gè)典奉；
  • "Background"：天空盒都使用這個(gè)躺翻；
  • "Overlay"：GUI、鏡頭光暈都使用這個(gè)卫玖；
  • 用戶也可以定義任意自己的RenderType這個(gè)標(biāo)簽所取的值公你。
  • 應(yīng)注意，Camera.RenderWithShader或Camera.SetReplacementShader不要求標(biāo)簽只能是RenderType假瞬，RenderType只是Unity內(nèi)部用于Replace的一個(gè)標(biāo)簽而已省店，你也可以自定義自己全新的標(biāo)簽用于Replace。
    比如笨触，你為自己的ShaderA.SubShaderA1（會(huì)被Unity選取到的SubShader懦傍，常為Shader文件中的第一個(gè)SubShader）增加Tag為"Distort"="On"，然后將"Distort"作為參數(shù)replacementTag傳給函數(shù)芦劣。此時(shí)粗俱，作為replacementShader實(shí)參的ShaderB.SubShaderB1中若有也有一模一樣的"Distort"="On"、且這A的材質(zhì)參數(shù)包含B所需材質(zhì)參數(shù)虚吟，則此SubShaderB1將代替SubShaderA1用于本次渲染寸认。
  • 具體可參考Rendering with Replaced Shaders
• "Queue"標(biāo)簽签财。定義渲染順序。預(yù)制的值為
• "Background"偏塞。值為1000唱蒸。比如用于天空盒。
• "Geometry"灸叼。值為2000神汹。大部分物體在這個(gè)隊(duì)列。不透明的物體也在這里古今。這個(gè)隊(duì)列內(nèi)部的物體的渲染順序會(huì)有進(jìn)一步的優(yōu)化（應(yīng)該是從近到遠(yuǎn)屁魏，early-z test可以剔除不需經(jīng)過(guò)FS處理的片元）。其他隊(duì)列的物體都是按空間位置的從遠(yuǎn)到近進(jìn)行渲染捉腥。
• "AlphaTest"氓拼。值為2450。已進(jìn)行AlphaTest的物體在這個(gè)隊(duì)列抵碟。
• "Transparent"桃漾。值為3000。透明物體拟逮。
• "Overlay"撬统。值為4000。比如鏡頭光暈唱歧。
• 用戶可以定義任意值宪摧，比如"Queue"="Geometry+10"
• "ForceNoShadowCasting"粒竖，值為"true"時(shí)颅崩，表示不接受陰影。
• "IgnoreProjector"蕊苗，值為"true"時(shí)沿后，表示不接受Projector組件的投影。

另朽砰，關(guān)于渲染隊(duì)列和Batch的非官方經(jīng)驗(yàn)總結(jié)是尖滚，一幀的渲染隊(duì)列的生成，依次決定于每個(gè)渲染物體的：

• Shader的RenderType tag,
• Renderer.SortingLayerID,
• Renderer.SortingOrder,
• Material.renderQueue（默認(rèn)值為Shader里的"Queue"）,
• Transform.z(ViewSpace)（默認(rèn)為按z值從前到后瞧柔，但當(dāng)Queue是“Transparent”的時(shí)候漆弄，按z值從后到前）。

這個(gè)渲染隊(duì)列決定了之后（可能有dirty flag的機(jī)制造锅？）渲染器再依次遍歷這個(gè)渲染隊(duì)列撼唾，“同一種”材質(zhì)的渲染物體合到一個(gè)Batch里。

Pass

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

一個(gè)SubShader（渲染方案）是由一個(gè)個(gè)Pass塊來(lái)執(zhí)行的哥蔚。每個(gè)Pass都會(huì)消耗對(duì)應(yīng)的一個(gè)DrawCall倒谷。在滿足渲染效果的情況下盡可能地減少Pass的數(shù)量蛛蒙。

Pass的Tag

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

和SubShader有自己專屬的Tag類似，Pass也有Pass專屬的Tag渤愁。
其中最重要Tag是 "LightMode"牵祟，指定Pass和Unity的哪一種渲染路徑（“Rendering Path”）搭配使用。除最重要的ForwardBase抖格、ForwardAdd外诺苹，這里需額外提醒的Tag取值可包括：

• Always，永遠(yuǎn)都渲染他挎，但不處理光照
• ShadowCaster筝尾，用于渲染產(chǎn)生陰影的物體
• ShadowCollector，用于收集物體陰影到屏幕坐標(biāo)Buff里办桨。

其他渲染路徑相關(guān)的Tag詳見(jiàn)下面章節(jié)“Unity渲染路徑種類”筹淫。
具體所有Tag取值，可參考ShaderLab syntax: Pass Tags呢撞。

FallBack

Shader "ShaderLab Tutorials/TestShader"{
    SubShader { Pass {} }
    
    FallBack "Diffuse" // "Diffuse"即Unity預(yù)制的固有Shader
    // FallBack Off //將關(guān)閉FallBack
}

當(dāng)本Shader的所有SubShader都不支持當(dāng)前顯卡损姜，就會(huì)使用FallBack語(yǔ)句指定的另一個(gè)Shader。FallBack最好指定Unity自己預(yù)制的Shader實(shí)現(xiàn)殊霞，因其一般能夠在當(dāng)前所有顯卡運(yùn)行摧阅。

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編輯器暴露給美術(shù)的參數(shù)，通過(guò)Properties來(lái)實(shí)現(xiàn)绷蹲。
• 所有可能的參數(shù)如上所示棒卷。主要也就Float、Vector和Texture這3類祝钢。
• 除了通過(guò)編輯器編輯Properties比规，腳本也可以通過(guò)Material的接口（比如SetFloat、SetTexture編輯）
• 之后在Shader程序通過(guò)[name]（固定管線）或直接name（可編程Shader）訪問(wèn)這些屬性拦英。
• 在每一個(gè)Property前面也能類似C#那樣添加Attribute蜒什，以達(dá)到額外UI面板功能。詳見(jiàn)MaterialPropertyDrawer.html疤估。

Shader中的數(shù)據(jù)類型

有3種基本數(shù)值類型：float灾常、half和fixed。
這3種基本數(shù)值類型可以再組成vector和matrix铃拇，比如half3是由3個(gè)half組成钞瀑、float4x4是由16個(gè)float組成。

• float：32位高精度浮點(diǎn)數(shù)慷荔。
• half：16位中精度浮點(diǎn)數(shù)雕什。范圍是[-6萬(wàn), +6萬(wàn)]，能精確到十進(jìn)制的小數(shù)點(diǎn)后3.3位。
• fixed：11位低精度浮點(diǎn)數(shù)监徘。范圍是[-2, 2]晋修，精度是1/256。

數(shù)據(jù)類型影響性能

• 精度夠用就好凰盔。
  • 顏色和單位向量墓卦，使用fixed
  • 其他情況，盡量使用half（即范圍在[-6萬(wàn), +6萬(wàn)]內(nèi)户敬、精確到小數(shù)點(diǎn)后3.3位）落剪；否則才使用float。

ShaderLab中的Matrix

當(dāng)提到“Row-Major”尿庐、“Column-Major”忠怖，根據(jù)不同的場(chǎng)合，它們可能指不同的意思：

• 數(shù)學(xué)上的抄瑟，主要是指矢量V是Row Vector凡泣、還是Column Vector。引用自[Game Engine Architecture 2nd Edition, 183]皮假。留意到V和M的乘法鞋拟，當(dāng)是Row Vector的時(shí)候，數(shù)學(xué)上寫(xiě)作VM惹资，Matrix在右邊贺纲，Matrix的最下面一行表示Translate；當(dāng)是Column Vector的時(shí)候褪测，數(shù)學(xué)上寫(xiě)作MtVt猴誊，Matrix在左邊并且需要轉(zhuǎn)置，Matrix最右面一列表示Translate侮措。
• 訪問(wèn)接口上的：Row-Major即MyMatrix[Row][Column]懈叹、Column-Major即MyMatrix[Column][Row]。HLSL/CG的訪問(wèn)接口都是Row-Major萝毛，比如MyMatrix[3]返回的是第3行项阴；GLSL的訪問(wèn)接口是Column-Major滑黔，比如MyMatrix[3]返回的是第3列笆包。
• 寄存器存儲(chǔ)上的：每個(gè)元素是按行存儲(chǔ)在寄存器中、還是按列存儲(chǔ)在寄存器中略荡。需要關(guān)注它的一般情況舉例是庵佣，float2x3的MyMatrix，到底是占用2個(gè)寄存器（Row-Major）汛兜、還是3個(gè)寄存器（Column-Major）巴粪。在HLSL里，可以通過(guò)#pragmapack_matrix設(shè)定row_major或者column_major。

上述情況肛根，互不相干辫塌。
然后，ShaderLab中派哲，數(shù)學(xué)上是Column Vector臼氨、訪問(wèn)接口上是Row-Major、存儲(chǔ)上是（尚未查明）芭届。

ShaderLab中各個(gè)Space的坐標(biāo)系

一般情況下储矩，從Vertex Buff輸入頂點(diǎn)到Vertex Shader，

• 該頂點(diǎn)為左手坐標(biāo)系Model Space中的頂點(diǎn)vInModel褂乍，
  其用w=1的Homogenous Cooridniates（故等效于Cartesian Coordinates）表達(dá)vInModel = float4(xm, ym, zm, 1)持隧；
• vInWrold = mul(_Object2World , vInModel)后，得出左手坐標(biāo)系World Space中的vInWorld逃片，其為w=1的Homogenous Cooridniates（故等效于Cartesian Coordinates）vInWorld = float4(xw, yw, zw, 1)屡拨；
• vInView = mul(UNITY_MATRIX_V , vInWrold)后，得出右手坐標(biāo)系View Space中的vInView褥实，其為w=1的Homogenous Cooridniates（故等效于Cartesian Coordinates）vInWorld = float4(xv, yv, zv, 1)洁仗；
• vInClip = mul(UNITY_MATRIX_P , vInView)后，得出左手坐標(biāo)系Clip Space中的vInClip性锭，其為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)赠潦；
  設(shè)r、l草冈、t她奥、b、n怎棱、f的長(zhǎng)度絕對(duì)值如下圖：
  
  
  注意View Space中攝像機(jī)前方的z值為負(fù)數(shù)哩俭、-z為正數(shù)。則GL/DX/Metal的Clip Space坐標(biāo)為：
  • 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后拳恋，得出左手坐標(biāo)系Normalized Device Coordinates中的vInNDC凡资，其為w=1的Homogenous Cooridniates（故等效于Cartesian Coordinates）vInNDC = float4(xn, yn, zn, 1)。
  xn和yn的取值范圍為[-1,1]谬运。
  • GL: zn=zc/wc=(fz+nz+2nf)/((f-n)z);
  • DX/Metal: zn=zc/wc=(fz+nf)/((f-n)z);
  • 在Unity中隙赁，zn的取值范圍可以這樣決定：
    • 如果UNITY_REVERSED_Z已定義，zn的取值范圍是[UNITY_NEAR_CLIP_VALUE, 0]梆暖，即[1,0]
    • 如果UNITY_REVERSED_Z未定義伞访，zn的取值范圍是[UNITY_NEAR_CLIP_VALUE, 1]
      • 如果SHADER_API_D3D9/SHADER_API_D3D11_9X定義了，即[0,1]
      • 否則轰驳，即OpenGL情況厚掷，即[-1,1]

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
    // 1 弟灼、2、3是等價(jià)的冒黑，和4是不等價(jià)的
    // 因?yàn)槭荕在左田绑、V在右，所以是Column Vector
    // 因?yàn)槭荋LSL/CG語(yǔ)言抡爹，所以是訪問(wèn)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?yàn)槭荲iewSpace是右手坐標(biāo)系辛馆，所以當(dāng)root在view前面的時(shí)候，z是負(fù)數(shù)豁延，所以需要-z才能正確顯示顏色
    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形態(tài)

Shader形態(tài)之1：固定管線

固定管線是為了兼容老式顯卡昙篙。都是頂點(diǎn)光照。之后固定管線可能是被Unity拋棄的功能诱咏，所以最好不學(xué)它苔可、當(dāng)它不存在。特征是里面出現(xiàn)了形如下面Material塊袋狞、沒(méi)有CGPROGRAM和ENDCG塊焚辅。

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形態(tài)之2：可編程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 ...
          }
    }
}

• 功能最強(qiáng)大、最自由的形態(tài)苟鸯。
• 特征是在Pass里出現(xiàn)CGPROGRAM和ENDCG塊
• 編譯指令#pragma同蜻。詳見(jiàn)官網(wǎng)Cg snippets。其中重要的包括：

• 引用庫(kù)。通過(guò)形如#include "UnityCG.cginc"引入指定的庫(kù)烂瘫。常用的就是UnityCG.cginc了媒熊。其他庫(kù)詳見(jiàn)官網(wǎng)Built-in shader include files。
• ShaderLab內(nèi)置值坟比。Unity給Shader程序提供了便捷的芦鳍、常用的值，比如下面例子中的UNITY_MATRIX_MVP就代表了這個(gè)時(shí)刻的MVP矩陣温算。詳見(jiàn)官網(wǎng)ShaderLab built-in values怜校。
• Shader輸入輸出參數(shù)語(yǔ)義（Semantics）间影。在管線流程中每個(gè)階段之間（比如Vertex Shader階段和FragmentShader階段之間）的輸入輸出參數(shù)注竿，通過(guò)語(yǔ)義字符串，來(lái)指定參數(shù)的含義。常用的語(yǔ)義包括：COLOR巩割、SV_Position裙顽、TEXCOORD[n]。完整的參數(shù)語(yǔ)義可見(jiàn)HLSL Semantic（由于是HLSL的連接宣谈，所以可能不完全在Unity里可以使用）愈犹。
• 特別地，因?yàn)閂ertex Shader的的輸入往往是管線的最開(kāi)始闻丑，Unity為此內(nèi)置了常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

Shader形態(tài)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可以認(rèn)為是一個(gè)光照Shader的語(yǔ)法糖漩怎、一個(gè)光照VS/FS的生成器。減少了開(kāi)發(fā)者寫(xiě)重復(fù)代碼的需要肺缕。
• 在手游覆旱，由于對(duì)性能要求比較高遥缕，所以不建議使用SurfaceShader。因?yàn)镾urfaceShader是一個(gè)比較“通用”的功能叁执，而通用往往導(dǎo)致性能不高。
• 特征是在SubShader里出現(xiàn)CGPROGRAM和ENDCG塊矮冬。（而不是出現(xiàn)在Pass里谈宛。因?yàn)镾urfaceShader自己會(huì)編譯成多個(gè)Pass。）
• 編譯指令是：
  #pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]
• surfaceFunction：surfaceShader函數(shù)胎署，形如void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
• lightModel：使用的光照模式吆录。包括Lambert（漫反射）和BlinnPhong（鏡面反射）。
  • 也可以自己定義光照函數(shù)琼牧。比如編譯指令為#pragma surface surf MyCalc
    • 在Shader里定義half4 LightingMyCalc (SurfaceOutput s, 參數(shù)略)函數(shù)進(jìn)行處理(函數(shù)名在簽名加上了“Lighting”）径筏。
    • 詳見(jiàn)Custom Lighting models in Surface Shaders
• 你定義輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（比如上面的Input）、編寫(xiě)自己的Surface函數(shù)處理輸入障陶、最終輸出修改過(guò)后的SurfaceOutput滋恬。SurfaceOutput的定義為

struct SurfaceOutput {
    half3 Albedo; // 紋理顏色值（r, g, b)
    half3 Normal; // 法向量(x, y, z)
    half3 Emission; // 自發(fā)光顏色值(r, g, b)
    half Specular; // 鏡面反射度
    half Gloss; // 光澤度
    half Alpha; // 不透明度
};

Shader形態(tài)之4：Compiled Shader

點(diǎn)擊a.shader文件的“Compile and show code”，可以看到該文件的“編譯”過(guò)后的ShaderLab shader文件抱究，文件名形如Compiled-a.shader恢氯。
其依然是ShaderLab文件，其包含最終提交給GPU的shader代碼字符串鼓寺。
先就其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)述如下勋拟，會(huì)發(fā)現(xiàn)和上述的編譯前ShaderLab結(jié)構(gòu)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{...}
                    "http:// 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渲染路徑（Rendering Path）種類

概述

開(kāi)發(fā)者可以在Unity工程的PlayerSettings設(shè)置對(duì)渲染路徑進(jìn)行3選1：

• Deferred Lighting妈候，延遲光照路徑敢靡。3者中最高質(zhì)量地還原光照陰影。光照性能只與最終像素?cái)?shù)目有關(guān)苦银，光源數(shù)量再多都不會(huì)影響性能啸胧。
• Forward Rendering赶站，順序渲染路徑。能發(fā)揮出Shader全部特性的渲染路徑纺念，當(dāng)然也就支持像素級(jí)光照贝椿。最常用、功能最自由陷谱，性能與光源數(shù)目*受光照物體數(shù)目有關(guān)烙博，具體性能視乎其具體使用到的Shader的復(fù)雜度。
• Vertex Lit烟逊，頂點(diǎn)光照路徑渣窜。頂點(diǎn)級(jí)光照。性能最高宪躯、兼容性最強(qiáng)图毕、支持特性最少、品質(zhì)最差眷唉。

渲染路徑的內(nèi)部階段和Pass的LightMode標(biāo)簽

每個(gè)渲染路徑的內(nèi)部會(huì)再分為幾個(gè)階段予颤。
然后，Shader里的每個(gè)Pass冬阳，都可以指定為不同的LightMode蛤虐。而LightMode實(shí)際就是說(shuō)：“我希望這個(gè)Pass在這個(gè)XXX渲染路徑的這個(gè)YYY子階段被執(zhí)行”。

Deferred Ligting

|渲染路徑內(nèi)部子階段|對(duì)應(yīng)的LightMode|描述
|-|-|
|Base Pass|"PrepassBase"|渲染物體信息肝陪。即把法向量驳庭、高光度到一張ARGB32的物體信息紋理上，把深度信息保存在Z-Buff上氯窍。|
|Lighting Pass|無(wú)對(duì)應(yīng)可編程Pass|根據(jù)Base Pass得出的物體信息饲常，在屏幕坐標(biāo)系下，使用BlinnPhong光照模式狼讨，把光照信息渲染到ARGB32的光照信息紋理上（RGB表示diffuse顏色值贝淤、A表示高光度）
|Final Pass|"PrepassFinal"|根據(jù)光照信息紋理，物體再渲染一次政供，將光照信息播聪、紋理信息和自發(fā)光信息最終混合。LightMap也在這個(gè)Pass進(jìn)行布隔。

Forward Rendering

|渲染路徑內(nèi)部子階段|對(duì)應(yīng)的LightMode|描述
|-|-|
|Base Pass|"ForwardBase"|渲染：最亮一個(gè)的方向光光源（像素級(jí)）和對(duì)應(yīng)的陰影离陶、所有頂點(diǎn)級(jí)光源、LightMap衅檀、所有LightProbe的SH光源（Sphere Harmonic招刨，球諧函數(shù)，效率超高的低頻光）哀军、環(huán)境光沉眶、自發(fā)光打却。|
|Additional Passes|"ForwardAdd"|其他需要像素級(jí)渲染的的光源
注意到的是，在Forward Rendering中沦寂，光源可能是像素級(jí)光源学密、頂點(diǎn)級(jí)光源或SH光源淘衙。其判斷標(biāo)準(zhǔn)是：

• 配制成“Not Important”的光源都是頂點(diǎn)級(jí)光源和SH光源
• 最亮的方向光永遠(yuǎn)都是像素級(jí)光源
• 配置成“Important”的都是像素級(jí)光源
• 上面2種情況加起來(lái)的像素級(jí)光源數(shù)目小于“Quality Settings”里面的“Pixel Light Count”的話传藏，會(huì)把第1種情況的光源補(bǔ)為額外的像素級(jí)光源。

另外彤守，配置成“Auto”的光源有更復(fù)雜的判斷標(biāo)注毯侦，截圖如下：

2014-0720-1607-31-40.png

Vertex Lit

|渲染路徑內(nèi)部子階段|對(duì)應(yīng)的LightMode|描述
|-|-|
|Vertex|"Vertex"|渲染無(wú)LightMap物體|
|VertexLMRGBM|"VertexLMRGBM"|渲染有RGBM編碼的LightMap物體
|VertexLM|"VertexLM"|渲染有雙LDR編碼的LightMap物體

不同LightMode的Pass的被選擇

一個(gè)工程的渲染路徑是唯一的具垫，但一個(gè)工程里的Shader是允許配有不同LightMode的Pass的侈离。
在Unity，策略是“從工程配置的渲染路徑模式開(kāi)始筝蚕，按Deferred卦碾、Forward、VertxLit的順序起宽，搜索最匹配的LightMode的一個(gè)Pass”洲胖。
比如，在配置成Deferred路徑時(shí)坯沪，優(yōu)先選有Deferred相關(guān)LightMode的Pass绿映；找不到才會(huì)選Forward相關(guān)的Pass；還找不到腐晾，才會(huì)選VertexLit相關(guān)的Pass叉弦。
再比如，在配置成Forward路徑時(shí)藻糖，優(yōu)先選Forward相關(guān)的Pass淹冰；找不到才會(huì)選VertexLit相關(guān)的Pass。

移動(dòng)設(shè)備GPU架構(gòu)簡(jiǎn)述

《The Mali GPU: An Abstract Machine》系列以Arm Mali GPU為例子給出了全面的討論巨柒，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：

• Part 1 - Frame Pipelining
  • Application/Geometry/Fragment三階段組成榄棵，三者中最大才是瓶頸
  • OpenGL的同步API是個(gè)“illusion”，事實(shí)上是CommandQueue（直到遇到Fence會(huì)被強(qiáng)制同步）,以減少CPU/GPU之間的互相等待
  • Pipeline Throttle潘拱，為了更低的延遲疹鳄，當(dāng)GPU累積了多幀（往往是3幀，以eglSwapBuffers()或Present()來(lái)區(qū)分幀）的Command時(shí)芦岂，OS會(huì)通過(guò)eglSwapBuffers()或Present()來(lái)阻塞CPU讓其進(jìn)入idle瘪弓，從而防止更多后續(xù)Command的提交
• Part 2 - Tile-based Rendering
  • tile-based deferred rendering （Wiki，PowerVR/Mali/Adreno）是重要的概念禽最。其將Fragment一幀處理多個(gè)比如16x16的單元腺怯，并為Shader集成一個(gè)小但快的cache袱饭，從而大幅避免Shader和主內(nèi)存之間帶寬消耗（電量消耗）
• Part 3 - The Midgard Shader Core
  • GPU包含數(shù)個(gè)（當(dāng)前常見(jiàn)為4-8個(gè)）Unified Shading Core，可動(dòng)態(tài)分配用于Vertex Shader呛占、Fragment Shader或Compute Kernel
  • 每個(gè)Unified Shader Core包含數(shù)個(gè)（當(dāng)前常見(jiàn)為2個(gè)）用于SIMD計(jì)算的運(yùn)算器Arithmetic Pipeline（A-pipe）虑乖，1個(gè)用于紋理采樣的Texutre Pipeline（T-pipe），1個(gè)用于非紋理類的內(nèi)存讀寫(xiě)的Load/Store Pipeline（LS-pipe）比如頂點(diǎn)屬性寫(xiě)讀晾虑、變量訪問(wèn)等
  • 會(huì)進(jìn)行Early-ZS測(cè)試嘗試減少Overdraw（依賴于渲染物體提交順序由前至后）
  • Arm的Forward Pixel Kill和PowerVR的Hidden Surface Removal做到像素級(jí)別的Overdraw減少（不用依賴于渲染物體提交順序由前至后）
  • 當(dāng)Shader使用discard或clip疹味、在Fragment Shader里修改深度值、半透明帜篇，將不能進(jìn)行Early-ZS糙捺，只好使用傳統(tǒng)的Late-ZS
• Part 4 - The Bifrost Shader Core
  • 2016年的新型號(hào)，對(duì)架構(gòu)作出了優(yōu)化

參考資源

• Youtube：https://www.youtube.com/watch?v=hDJQXzajiPg （包括part1-6）笙隙。視頻是最佳的入門(mén)方式?jīng)]有之一洪灯，所以墻裂建議就算不看下文的所有內(nèi)容，都要去看一下part1竟痰。
• 書(shū)籍：《Unity 3D ShaderLab開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)詳解》
• Unity各種官方文檔