一、什么是Shader?

Shader又名為著色器，是渲染管線運行的一段小程式，負責通知GPU如何渲染圖形，那問題又來了，什么是渲染管線呢？通過學習收集資料發現，渲染管線也稱渲染流水線，是顯示芯片（提供顯示功能的芯片，是顯卡上面的一個最重要的芯片，主要處理顯卡的計算作業，如同電腦中cpu的地位）內部處理圖形信號相互獨立的并行處理單元，渲染管線可以分為，固定渲染管線、可編程渲染管線，，，

1.Shader的開發語言

HLSL: 主要用于Direct3D，平臺:windows，

GLSL: 主要用于OpenGL， 平臺:移動平臺（iOS，安卓），mac(only use when you target Mac OS X or OpenGL ES 2.0)

CG：與DirectX 9.0以上以及OpenGL 完全兼容，運行時或事先編譯成GPU匯編代碼，
CG比HLSL、GLSL支持更多的平臺，Unity Shader采用CG/HLSL作為開發語言，

2.著色器用途

（1） 作為圖形管線一部分的著色器是最常見的著色器型別，它們執行一些計算來確定螢屏上像素的顏色，在 Unity 中，通常是通過 Shader 物件使用這種型別的著色器，

（2） 計算著色器在常規圖形管線之外，在 GPU 上執行計算，

（3） 光線追蹤著色器執行與光線追蹤相關的計算，

3.著色器的編輯

（1） ShaderLab-一種用于撰寫著色起的Unity特定語言，

（2）Shader Graph-一種無需撰寫代碼即可創建著色器的工具，

4.著色器性能分析工具

https://developer.imaginationtech.com/pvrshadereditor/

5.著色器編譯

每次構建專案時，Unity 編輯器都會編譯構建所需的所有著色器：針對每個所需的圖形 API 編譯每個所需的著色器變體，

當您在 Unity 編輯器中作業時，編輯器不會提前編譯所有內容，這是因為為每個圖形 API 編譯每個變體可能需要很長時間，

相反，Unity 編輯器會這樣做：

當匯入一個著色器資源時，會執行一些最小的處理（例如表面著色器生成），
當需要顯示著色器變體時，它會檢查 Library/ShaderCache 檔案夾，
如果找到使用相同源代碼的先前編譯的著色器變體，則會使用該著色器變體，
如果沒有找到匹配項，則編譯所需的著色器變體并將結果保存到快取中，
注意：如果您啟用異步著色器編譯，它在后臺執行此操作并同時顯示占位著色器，

6.異步著色器的編譯作業原理

（1）.當編輯器第一次遇到未編譯的著色器變體時，它會將著色器變體添加到作業執行緒上的編譯佇列中，編輯器右下角的進度潭訓顯示編譯佇列的狀態，
（2）.在加載著色器變體時，編輯器使用占位著色器渲染幾何體，該著色器顯示為純青色，
（3）.當編輯器完成對著色器變體的編譯后，它會使用著色器變體來渲染幾何體，

7.內置著色器中的著色器替換標簽

Opaque：大部分著色器（法線、自發光、反射和地形著色器），
Transparent：大部分半透明著色器（透明、粒子、字體和地形附加通道著色器），
TransparentCutout：遮罩透明度著色器（透明鏤空、兩個通道植被著色器），
Background：天空盒著色器，
Overlay：光環、光暈著色器，
TreeOpaque：地形引擎樹皮，
TreeTransparentCutout：地形引擎樹葉，
TreeBillboard：地形引擎公告牌樹，
Grass：地形引擎草，
GrassBillboard：地形引擎公告牌草，

二、固定渲染管線

只提供了一些渲染功能的開關項，不能靈活控制渲染的每個片段，是OpenGL ES 1.0所使用的渲染管線，從OpenGL ES 2.0開始，Unity全面支持可編程渲染管線，現在已經不建議使用固定渲染管線，在這里做個簡單了解，

Shader "Unlit/FixedShader"    //表示Shader的顯示目錄與shader代碼語塊
{
	Properties				  //Shader的屬性部分,這里配置渲染管線需要用到的引數
	{
		//主紋理
		_MainTex("Texture",2D) = "white" {}
	}
	SubShader //子著色器，Shader可以包含多個子著色器，Unity會自動找到當前設備硬體支持的SubShader執行
	{
		Pass  //渲染通道，可以添加多個Pass,由于一個Pass就是一個DrawCall,所以盡量只使用一個Pass，
		{
			//設定主紋理
			SetTexture [_MainTex]
			{
				combine texture
			}
		}
	}
}

Shader "Unlit/FixedShader01"
{
	Properties
	{
		//主紋理
		_MainTex("Texture",2D) = "white" {}
		//顏色
		_Color("Main Color",Color) = (1,1,1,0)
	}
	SubShader //子著色器，Shader可以包含多個子著色器，Unity會自動找到當前設備硬體支持的SubShader執行
	{
		Pass  //渲染通道，可以添加多個Pass,由于一個Pass就是一個DrawCall,所以盡量只使用一個Pass，
		{
			Lighting On
			Material
			{
				Diffuse [_Color] //接收漫反射光
				Ambient [_Color] //接識訓境光
			}

			//設定主紋理
			SetTexture [_MainTex]
			{
				combine previous*texture
			}
		}
	}

三、可編程渲染管線

程式代碼可以對每一個片段進行著色，如果要對每個片段像素點做特殊著色，那么在Shader中首先需要獲取集合圖形對應的頂點以及UV資訊，然后通過UV以及貼圖拿到當前片段的像素資訊，然后就可以自定義著色了，

Shader "Unlit/VertexandFragmentShader"
{
	Properties
	{
		_MainTex("Texture", 2D)="White"{}
	}
	{
		Pass
		{
			//標記CG程式塊的起始位置
			//c++語法
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#include "UnityCG.cginc"
			struct v2f
			{
				float2 uv : TEXCOORD0;
				float4 vertex : SV_POSITION;
			} ;
			sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            v2f vert (appdata_base v)
            {
            	//輸出幾何圖形頂點以及UV資訊
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 輸入自定義著色資訊
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                // apply fog
                UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
                return col;
            }
            //標記CG程式塊的結束
            ENDCG
		}
	}
}

四、可編程渲染管線的表面著色器

該著色器可以省略撰寫#pragma vertex vert方法，并且Shader中不需要寫Pass代碼塊，#pragma surface surf Lambert表示執行光照模型，SurfaceOutput 表示 vertex 輸出的結構物件，

Shader "Custom/NewSurfaceShader"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        //基于物理的標準照明模型，并在所有燈光型別上啟用陰影
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        //使用shader模型3.0目標，以得到更好的外觀照明
        #pragma target 3.0

        sampler2D _MainTex;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        half _Glossiness;
        half _Metallic;
        fixed4 _Color;
        // #pragma instancing_options assumeuniformscaling
        UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)
        // 在這里放置更多的每個實體屬性
        UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
        {
            // 反照率來自于由顏色著色的紋理
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            // 金屬度與光滑度
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

SurfaceOutPut的結構定義:

struct SurfaceOutput
{
	fixed3 Albedo;
	fixed3 Normal;
	fixed3 Emission;
	half Specular;
	fixed Gloss;
	fixed Alpha;
};

五、 深度排序

模型之間存在遮擋關系，因此需要設定模型間的渲染順序，這可以在Shader中表明,如Tags{“RenderType”=“Opaque”}(Opaque: 用于大多數著色器（法線著色器、自發光著色器、反射著色器以及地形的著色器），)，共分為5個型別（數值越小，越先渲染）：

1.Background: 代表1000,天空盒或背景，其它元素都蓋在它前面，
2.Geometry: 代表2000，幾何體、地形、地上的房子、樹木等不需要帶透明通道的模型，
3.AlphaTest:代表2450，透明測驗（透明測驗開啟時，當前像素根據設定條件決定是否輸出顏色），
4.Transparent:代表3000,透明或半透明的模型，
5.Overlay:代表4000，渲染在最前面，比如UI一類，

這些數值可以直接對其進行加減，也可以對其進行二次編輯，如Tags{“RenderType”=“Geometry+1”}，
技巧分享:在游戲地形之上，還會繪制很多建筑一類的元素，如果先繪制地形再繪制建筑的話，那么重合的像素點就需要畫很多遍，所以可以將地形的RenderType值設定的比地上建筑大，這樣就會先繪制建筑，然后再繪制地形，

可以在Window->Analysis->Frame Debug視窗中依次查看當前的渲染順序：

六、透明

在Shader中可以用Alpha Test和Alpha Blend這兩種方式實作透明效果，Alpha Blend透明部分會和背景混合，Alpha Test不會，它只會出現透明和不透明兩種結果，Alpha Test無法做混合，由于移動平臺下不支持Early-Z,它的效率會比Alpha Blend慢，不過游戲中有時會需要用到它，比如實作自身溶解的效果，Alpha Blend使用的場景比較多，比如粒子特效、角色身體、翅膀等發光效果，
游戲中應當減少使用透明通道，因為透明會出現混合的現象，這樣的渲染佇列必須是從后向前渲染，此時就會出現大量的過度繪制(overdraw)現象，如果是不透明的話，可以將它設定到Geometry上，這樣的渲染順序就會從前向后渲染，因為后面的像素擋住了前面的像素，所以會大量降低過度繪制，總之，能不用透明的地方就不用，
Unity專門提供了幾種放在Shader->Mobile下的著色器，它們是專門優化過的：

七、裁切

Shader中的Stencil(模板)，它與深度測驗比較像，測驗能否寫入像素，測驗成功后寫入像素，Stencil也可以做裁切，在裁切與被裁切的Properties代碼塊中添加一個唯一標識的ID:

Properties
{
	_MainTex{"Texture",2D} = "white" {}
	_ID{"Mask ID",Int} = 1
}

在需要裁切的模型上寫入Stencil,其中Ref[_ID]表示唯一識別符號，Comp equal用來和裁切區域比較是否顯示這個像素:

Stencil
{
	Ref {_ID}
	Comp equal
}

此外，還需要設定一個裁切區域，其中Ref[_ID]和裁切模型匹配，Comp always和Pass replace表示在這個區域內的像素永遠顯示，否則將被裁切掉：

Stencil
{
	Ref {_ID}
	Comp always
	Pass replace
}

代碼如下:

Shader "Unlit/Mask" 
{
    Properties
    {
        _ID("Mask ID", Int) = 1
    }
    SubShader
    {
        Tags{ "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry" }
        ColorMask 0
        ZWrite off          
        Stencil
        {
             Ref[_ID]
             Comp always
             Pass replace
        }
        Pass
        {
            CGINCLUDE
            struct appdata 
            {
            	float4 vertex : POSITION;
            };
            
            struct v2f 
            {
           		float4 pos : SV_POSITION;
            };
            
            v2f vert(appdata v)
            {
           		v2f o;
            	o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            	return o;
            }
            
            half4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
            	return half4(1,1,1,1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

八、著色器變體采集

通常，Unity中的Shader可以直接放在Resources目錄下，運行時可以這樣讀取:

Shader a = Resources.Load<Shader>("Shader Name");
Shader b = Shader.Find("Shder Name")

采用這種方法加載出來的Shader第一次賦值給材質時，會進行決議，因此會帶來一點卡頓，為了避免卡頓，可以將Shader放在Shader Variant Collection中提前進行預熱，
Create->Shader->Shader Variant Collection創建，在Graphics Setting中，拉到最下方，點擊Save to asset…即可創建Shader并將其包含進Shader Variant Collection中，

然后在初始化的地方進行預熱:

Resources.Load<ShaderVariantCollection>("NewShaderVariants").WarmUp();

Unity提供了一種將Shader預制在包體中的功能，操作方法在上Graphics Settings中的Always Included Shaders處，將需要的Shader拖拽進來即可，但這樣做有個隱患——變體(Variant)，
如果Shader預制在Always Included Shaders中，那么所有的變體組合都會進行打包，這會大幅度增加包體，并且在加載時會帶來額外開銷，因此要先確定變體有多少個,再決定將它放在哪里，選擇一個Shader，點擊Compile and show code，即可查看變體數量：

若數量太多，不要放進Always Included Shaders中，

參考文獻:
1.Unity官方檔案：https://docs.unity.cn/cn/current/Manual/UnityManual.html，
2.Unity3D游戲開發(第二版)，