Unity Shader 的编程流程和结构

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Unity Shader 的编程流程和结构

Unity Shader 的编程主要由以下三个核心部分组成：Properties（属性）、SubShader（子着色器） 和 Fallback（回退）。下面是它们的具体作用和结构：

1. Properties（属性）

• 作用：
  Properties 定义了着色器的可调参数，用户可以通过 Unity 的 Inspector 面板调整材质的外观，例如颜色、纹理或数值。
• 结构：
  通常包括颜色（Color）、纹理（2D）、浮点数（Float）、向量（Vector）等类型的变量。
• 示例：

  Properties
  {
      _Color ("颜色", Color) = (1,1,1,1)           // 定义一个颜色属性，初始值为白色
      _MainTex ("主纹理", 2D) = "white" {}         // 定义一个主纹理，默认为白色纹理
      _BumpMap ("法线贴图", 2D) = "bump" {}        // 定义一个法线贴图，默认为 Unity 内置法线纹理
  }
  

2. SubShader（子着色器）

• 作用：
  SubShader 包含着色器的核心渲染逻辑，定义了渲染管线中的具体操作，通常通过一个或多个 Pass 来实现。
• 结构：
  • Tags：用于指定渲染队列（如 “Opaque” 或 “Transparent”）、光照模式等。
    好的，我会用中文回答你的问题。由于你没有具体提出关于什么的问题，我假设你需要关于 Unity Shader Tags 的解释。以下是详细的回答：

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Unity Shader Tags 详解

在 Unity 中，Shader 的 Tags 用于定义渲染行为和着色器在渲染管线中的处理方式。下面我将以一个常见示例为基础，详细解释一些典型的 Tags：

Tags {"Queue"="Transparent" "LightMode"="ForwardBase" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}

1. "Queue"="Transparent"

• 作用：控制物体的渲染顺序。
• 解释：Unity 的渲染管线按照“渲染队列（Render Queue）”的顺序渲染物体。"Transparent" 表示这个物体属于透明队列，通常用于渲染玻璃、水、粒子等透明效果。透明物体会在不透明物体（如 "Geometry" 队列）之后渲染，并且会从后往前排序，以确保正确混合。
• 重要性：透明物体的渲染顺序对视觉效果至关重要，过早渲染可能导致混合错误。
• 示例：玻璃窗的 Shader 会使用这个 Tag，确保在墙壁之后渲染。

2. "LightMode"="ForwardBase"

• 作用：指定着色器 Pass 的光照模式。
• 解释：Unity 支持多种渲染路径，其中 Forward Rendering（前向渲染）是一种常见路径。"ForwardBase" 是前向渲染中的一个 Pass，负责处理主方向光源（如太阳光）和环境光，计算物体如何受这些光照影响。
• 重要性：这是前向渲染中处理基本光照的关键 Pass。
• 示例：大多数基础 Shader 使用 "ForwardBase" 来响应场景中的主光源。

3. "IgnoreProjector"="True"

• 作用：控制物体是否受 Projector（投影器）影响。
• 解释：Unity 的 Projector 组件可以将纹理投影到物体上（如阴影或光斑）。设置为 "True" 表示这个物体不受 Projector 影响，即不会被投影覆盖。
• 重要性：适合不想被额外投影影响的物体，例如透明 UI 元素。
• 示例：一个透明按钮可能使用这个 Tag，避免被场景中的投影干扰。

4. "RenderType"="Transparent"

• 作用：定义物体的渲染类型。
• 解释：这个 Tag 主要用于 Unity 的**着色器替换（Shader Replacement）**功能，帮助 Unity 识别物体的渲染特性。例如，在渲染阴影或深度图时，Unity 会根据 "RenderType" 选择合适的着色器。
• 重要性：确保 Unity 在特殊渲染（如阴影）中正确处理透明物体。
• 示例：所有透明物体的 Shader 通常会使用这个值。

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Unity Shader Tags 总结

这些 Tags 共同定义了一个透明物体的渲染行为：

• 渲染顺序：在不透明物体之后渲染（"Queue"="Transparent"）。
• 光照模式：处理主光源和环境光（"LightMode"="ForwardBase"）。
• 投影器影响：不受 Projector 影响（"IgnoreProjector"="True"）。
• 渲染类型：标记为透明物体（"RenderType"="Transparent"）。

这种组合非常适合需要透明效果的 Shader，例如玻璃、粒子或水面。

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常见 Unity Tags 及其作用

以下是 Unity Shader 中常用的 Tags，供你参考：

Tag	作用	常用值
"Queue"	控制渲染顺序	"Background", "Geometry", "Transparent", "Overlay"
"LightMode"	指定光照模式	"ForwardBase", "ForwardAdd", "ShadowCaster"
"RenderType"	定义渲染类型，用于着色器替换	"Opaque", "Transparent", "TransparentCutout"
"IgnoreProjector"	是否忽略 Projector 的影响	"True", "False"
"ForceNoShadowCasting"	强制不投射阴影	"True", "False"

"Queue" 的常见值

• "Background"（1000）：天空盒等背景物体。
• "Geometry"（2000）：默认不透明物体。
• "Transparent"（3000）：透明物体。
• "Overlay"（4000）：UI 或特效。

"LightMode" 的常见值

• "ForwardBase"：处理主光源和环境光。
• "ForwardAdd"：处理额外的光源。
• "ShadowCaster"：用于投射阴影。

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总结

Unity Shader Tags 是控制渲染行为的核心工具。通过合理设置 Tags，你可以调整物体的渲染顺序、光照处理方式以及其他特性。希望这个回答能帮到你！如果有更具体的问题，请告诉我，我会进一步解答。

• Pass：每个 Pass 定义一次渲染过程，包含顶点着色器和片段着色器。 Tags也可以写在Pass里面
• CGPROGRAM：使用 HLSL 语言编写具体的着色器代码。
• 示例：

  SubShader
  {
      Tags { "RenderType"="Opaque" }               // 指定渲染类型为不透明
      Pass
      {
          CGPROGRAM
          #pragma vertex vert                      // 声明顶点着色器函数
          #pragma fragment frag                    // 声明片段着色器函数
          ENDCG
      }
  }
  

3. Fallback（回退）

• 作用：
  当硬件不支持当前 SubShader 时，Unity 会尝试使用 Fallback 指定的备用着色器，确保渲染不会失败。
• 结构：
  通常指向一个简单内置着色器，如 “Diffuse” 或 “VertexLit”。
• 示例：

  Fallback "Diffuse"                              // 当 SubShader 不可用时，回退到 Diffuse 着色器
  

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Unity Shader 的编程思路

编写 Unity Shader 时，需要遵循以下清晰的思路，确保代码逻辑清晰且效果符合预期：

1. 明确渲染目标

   • 在开始编写之前，明确着色器要实现的效果，例如不透明物体、透明效果、光照表现还是特殊视觉效果（如水面、玻璃）。

2. 选择渲染路径

   • 根据项目需求选择适合的渲染路径：
     • 前向渲染（Forward Rendering）：适合实时光照较少的场景。
     • 延迟渲染（Deferred Rendering）：适合大量动态光源的场景。

3. 定义 Properties

   • 确定用户需要调整的参数，例如颜色、纹理、光泽度、透明度等，并为这些参数设置合理的默认值。

4. 编写 SubShader

   • 根据目标效果，编写顶点着色器（处理顶点数据）和片段着色器（计算像素颜色）。
   • 使用 Tags 控制渲染顺序和光照模式，确保与 Unity 的渲染管线兼容。

5. 优化性能

   • 尽量减少 Pass 数量，合并渲染操作以提升效率。
   • 使用合适的数据类型和精度（如 half 替代 float），减少计算开销。

6. 调试与测试

   • 使用 Unity 的 Frame Debugger 检查渲染过程，定位问题。
   • 使用 Profiler 分析性能，确保着色器运行高效。

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Unity Shader 中的渲染状态设置

在 Unity Shader 中，渲染状态（Render State）定义了渲染管线如何处理几何体、深度、颜色等信息。除了 ZWrite 和 ZTest，还有其他相关设置共同影响渲染行为。以下是详细的说明：

1. ZWrite（深度写入）

• 作用：决定是否将物体的深度值写入深度缓冲区（Depth Buffer）。
• 可选值：
  • ZWrite On：开启深度写入（默认值），物体渲染后会更新深度缓冲区。
  • ZWrite Off：关闭深度写入，物体不会影响深度缓冲区。
• 使用场景：
  • 不透明物体：通常使用 ZWrite On，确保正确遮挡后面的物体。
  • 透明物体：通常使用 ZWrite Off，避免阻挡后续物体的渲染，同时配合混合（Blend）实现透明效果。
• 注意：即使关闭 ZWrite，深度测试（ZTest）仍然会生效。

2. ZTest（深度测试）

• 作用：决定物体是否通过深度测试，从而判断是否渲染该像素。
• 可选值：
  • ZTest Less：深度值小于深度缓冲区值时通过。
  • ZTest Greater：深度值大于深度缓冲区值时通过。
  • ZTest LEqual：深度值小于或等于时通过（默认值）。
  • ZTest GEqual：深度值大于或等于时通过。
  • ZTest Equal：深度值相等时通过。
  • ZTest Always：始终通过深度测试。
  • ZTest Never：始终不通过深度测试。
• 使用场景：
  • 不透明物体：通常使用 ZTest LEqual，确保按深度顺序正确渲染。
  • 透明物体：通常也用 ZTest LEqual，但配合 ZWrite Off 和 Blend。
  • 特殊效果：如 ZTest Always 用于强制渲染（如 UI 或前景效果）。
• 注意：ZTest 的结果只影响像素是否渲染，不影响深度缓冲区的更新（由 ZWrite 控制）。

3. Blend（颜色混合）

• 作用：控制当前渲染的颜色（源颜色）与颜色缓冲区已有颜色（目标颜色）的混合方式。
• 可选值：
  • Blend Off：关闭混合（默认值），直接覆盖颜色缓冲区。
  • Blend SrcFactor DstFactor：指定源因子和目标因子的混合公式。
    • 常见示例：
      • Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha：标准透明混合。
      • Blend One One：加法混合。
• 使用场景：
  • 透明物体：开启混合（如 Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha）实现透明效果。
  • 不透明物体：通常关闭混合，直接覆盖背景。
• 注意：Blend 通常与 ZWrite Off 和 Queue="Transparent" 配合使用。

4. Cull（面剔除）

• 作用：决定剔除物体的哪个面（正面或背面），或不剔除。
• 可选值：
  • Cull Back：剔除背面（默认值）。
  • Cull Front：剔除正面。
  • Cull Off：不剔除，渲染双面。
• 使用场景：
  • 不透明物体：使用 Cull Back 提高性能，只渲染正面。
  • 透明物体：常使用 Cull Off，确保双面可见。
• 注意：双面渲染会增加性能开销。

5. Offset（深度偏移）

• 作用：调整物体的深度值，避免深度冲突（Z-Fighting）。
• 语法：
  • Offset Factor, Units：Factor 影响深度斜率，Units 提供固定偏移。
• 使用场景：
  • 重叠平面：如贴花、道路标记，使用 Offset -1, -1 调整深度。
• 注意：Offset 不影响深度缓冲区内容，仅影响深度测试时的比较值。

6. ColorMask（颜色掩码）

• 作用：控制哪些颜色通道（R、G、B、A）写入颜色缓冲区。
• 可选值：
  • ColorMask RGBA：写入所有通道（默认值）。
  • ColorMask RGB：只写入 RGB 通道。
  • ColorMask A：只写入 Alpha 通道。
  • ColorMask 0：不写入任何通道。
• 使用场景：
  • 特殊效果：如只写入 Alpha 通道用于后期处理。
  • 优化：配合深度测试实现某些渲染技巧。

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完整 Shader 示例

以下是一个结合多种渲染状态的 Unity Shader 示例，用于透明物体渲染：

Shader "Custom/FullRenderStateExample"
{
    Properties
    {
        _Color ("颜色", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("主纹理", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" }
        ZWrite Off                     // 关闭深度写入
        ZTest LEqual                   // 深度测试：小于或等于时通过
        Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // 标准透明混合
        Cull Off                       // 渲染双面
        Offset -1, -1                  // 深度偏移
        ColorMask RGB                  // 只写入 RGB 通道

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"

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

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

            sampler2D _MainTex;
            float4 _Color;

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

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

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总结

Unity Shader 的渲染状态控制了渲染管线的行为，以下是关键设置的统一说明：

• ZWrite：控制深度写入，决定是否更新深度缓冲区。
• ZTest：控制深度测试，决定像素是否渲染。
• Blend：控制颜色混合，常用于透明效果。
• Cull：控制面剔除，优化性能或实现双面渲染。
• Offset：调整深度值，解决深度冲突。
• ColorMask：控制颜色通道写入，用于特殊需求。

编程过程中必须掌握的关键点

要编写出高效且功能完善的 Unity Shader，以下几个关键点是必须掌握的：

1. 顶点着色器（Vertex Shader）

   • 作用：处理顶点数据（如位置、法线、UV 坐标），并将顶点从模型空间转换到裁剪空间。
   • 关键技能：掌握 Unity 提供的变换函数，如 UnityObjectToClipPos。

2. 片段着色器（Fragment Shader）

   • 作用：计算每个像素的颜色，负责纹理采样、光照计算和最终颜色输出。
   • 关键技能：熟练编写像素级逻辑，处理光照和材质效果。

3. 光照模型

   • 基础模型：掌握 Lambert（漫反射）和 Blinn-Phong（高光反射）等常见光照模型。
   • Unity 特性：理解 Unity 的光照系统，包括全局光照（GI）、实时光照和阴影。

4. 纹理采样

   • 方法：使用 tex2D 函数从纹理中采样颜色。
   • 技巧：掌握 UV 坐标的偏移、缩放和动画，实现动态纹理效果。

5. 渲染状态

   • 控制项：设置深度测试（ZTest）、深度写入（ZWrite）、混合模式（Blend）、面剔除（Cull）等。
   • 应用：根据需求调整透明度、双面渲染等效果。

6. 内置变量和函数

   • 内置变量：熟悉 Unity 提供的变量，如 _Time（时间）、_WorldSpaceLightPos0（主光源位置）。
   • 辅助函数：使用 UnityCG.cginc 中的函数（如 UnityObjectToClipPos、dot），简化开发。

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总结

Unity Shader 的编程需要掌握其基本结构（Properties、SubShader、Fallback），并遵循从明确目标到优化性能的清晰思路。在编程过程中，熟练掌握顶点和片段着色器、光照模型、纹理采样以及渲染状态是实现高效着色器的关键。通过不断实践和调试，你将能够编写出功能强大且性能优越的着色器，为 Unity 项目增添独特的视觉效果。

好的，我来为你完整解答 Unity Shader 中与 ZWrite、ZTest 相关的渲染状态设置，并统一说明所有常见的渲染状态，帮助你全面理解这些设置的作用和使用场景。