【基础】Unity着色器编程的语言和数学基础介绍

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

着色器编程语言基础

Unity URP（Universal Render Pipeline）管线中主要支持三种着色器语言：GLSL（OpenGL Shading Language）、CG（C for Graphics）以及HLSL（High-Level Shading Language）。这些语言均基于C语言的语法结构，并针对GPU并行计算的特点进行了专门优化。

GLSL与HLSL/CG的差异

GLSL是OpenGL标准中使用的着色语言，而HLSL由微软为DirectX平台设计，CG则是由NVIDIA推出的跨平台着色语言。Unity早期开发中主要使用CG语言，但随着URP管线的推广，HLSL逐渐成为更主流的选择。GLSL与HLSL/CG在以下方面存在差异：

• 语法细节上有所不同
• 内置函数的命名与实现方式存在差异
• 矩阵存储顺序不同：HLSL与CG采用列优先（column-major），而GLSL使用行优先（row-major）

Shader Graph中的语言抽象机制

Shader Graph借助节点化系统对底层着色语言进行了抽象封装，开发者无需直接编写代码即可构建复杂的着色效果。然而，掌握底层语言知识对于调试着色器以及实现更高级的图形效果仍然至关重要。

数学基础

向量运算

着色器编程中广泛使用向量运算，主要包括：

• 向量分量访问：float3 v = (1, 2, 3); float x = v.x;
• 向量相加：float3 a + float3 b
• 点积（标量积）：float d = dot(a, b)，常用于计算光照强度等场景

坐标系变换

在URP渲染管线中，主要涉及以下四种坐标系：

• 物体空间（Object Space）：模型自身的局部坐标系
• 世界空间（World Space）：整个场景的全局三维坐标系
• 观察空间（View Space）：以摄像机为原点的坐标系
• 裁剪空间（Clip Space）：顶点在标准化设备坐标之前的空间

坐标系之间的转换通过矩阵运算实现，例如使用UnityObjectToWorld函数可将顶点从物体空间变换至世界空间。

着色器类型详解

顶点着色器

顶点着色器负责处理每个顶点的数据，执行几何变换与基础光照计算。其典型结构如下：

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

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

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

片元着色器

片元着色器（又称像素着色器）处理每个像素的颜色输出，示例结构如下：

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

几何着色器

几何着色器用于处理图元（点、线、三角形），并能够生成新的几何结构。在URP中使用时需注意：

• 定义三个结构体：输入（appdata）、几何处理阶段（v2g）与输出（g2f）
• 使用#pragma geometry geom指令声明几何着色器
• 通过[maxvertexcount]属性限制输出的最大顶点数量

计算着色器

计算着色器（Compute Shader）适用于通用GPU计算任务，不限于图形渲染管线。其主要特点包括：

• 基于线程组（Thread Group）组织并行计算
• 支持通过RWTexture等类型读写纹理数据
• 适用于大规模并行数据处理场景

Shader Graph的核心优势

Shader Graph为URP开发提供了以下显著优势：

• 可视化编辑环境：通过节点连接实现着色器逻辑，降低编码门槛
• 快速原型迭代：实时预览着色效果，大幅提升开发效率
• 跨平台兼容性：自动适配不同图形API的底层差异
• 丰富的内置节点库：提供常用数学运算、纹理操作与效果节点
• 灵活的材质参数配置：直观地暴露和调整着色器属性

性能优化策略

在URP项目中优化着色器性能时，应重点关注以下方面：

• 减少纹理采样次数：尽可能合并多次采样操作
• 简化光照计算模型：移动端设备建议使用简化光照
• 合理选择数值精度 ：在适当场景中使用half类型替代float
• 避免复杂分支逻辑：GPU执行分支可能导致性能波动
• 实施细节层次（LOD）：为不同性能的设备提供多级别着色器细节

示例：URP基础着色器实现

以下是一个符合URP规范的简单着色器代码框架：

Shader "URP/ExampleShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }

    SubShader
    {
        Tags 
        { 
            "RenderType" = "Opaque" 
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline" 
        }

        Pass
        {
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

            TEXTURE2D(_MainTex);
            SAMPLER(sampler_MainTex);
            float4 _Color;

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            Varyings vert(Attributes input)
            {
                Varyings output;
                output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS);
                output.uv = input.uv;
                return output;
            }

            half4 frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                half4 texColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);
                return texColor * _Color;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

此示例展示了在URP中如何定义着色器属性、组织顶点与片元处理逻辑，以及使用URP内置的宏与函数库实现基础渲染流程。

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