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【Unity Shader学习笔记】（四）Shader编程

news 2025/9/4 5:27:22

一、OpenGL与DirectX

这是计算机图形学中两个最核心的应用程序接口（API），它们充当了应用程序与显卡硬件之间的桥梁，让开发者能够调用GPU进行图形渲染和通用计算。

特性维度	OpenGL	DirectX
主导公司	Khronos Group (原SGI)	Microsoft
平台支持	跨平台。Windows, Linux, macOS, Android, iOS, 各种嵌入式系统等。	微软生态系统。主要限于Windows、Xbox系列主机。部分支持Win10/11上的Android子系统。
设计哲学	开放标准。由行业联盟共同维护，规范公开，各家硬件厂商提供自己的实现。更偏向底层和灵活。	一体化解决方案。作为Windows系统的一部分，与系统深度集成，提供从图形、声音、输入到网络的一整套多媒体API。
发展状态	现代版：Vulkan。OpenGL本身已停止重大更新（最新为4.6），其下一代标准是Vulkan API，它是一个更低开销、更显式控制的跨平台API。	持续活跃更新。DirectX 12是当前最新版本，同样致力于降低CPU开销和提高硬件控制力，与Vulkan对标。
驱动模型	传统状态机模式，驱动层较厚，CPU开销相对较高。	历史上开销也较大，但到DirectX 12变为底层、显式控制模式，极大降低了CPU开销，将性能优化责任更多地交给了开发者。
行业应用	专业领域、移动平台、跨平台应用。CAD/CAE软件（如SolidWorks）、科学可视化、Mac/Linux应用、Android/iOS的图形基础（OpenGL ES）。	游戏产业（尤其是PC和Xbox）。绝大多数Windows平台的游戏都基于DirectX开发，因为它能更好地发挥Windows系统性能并与Xbox共享代码。
易用性	学习资料分散，由于是跨平台标准，在不同驱动和平台上可能遇到兼容性问题，需要处理各种扩展（Extension）。	开发工具链（如Visual Studio）和文档（MSDN）非常完善，在Windows平台上兼容性和一致性极好，对开发者更友好。

二、GLSL/HLSL/Cg

这些是专门用于在GPU上运行的编程语言，称为着色器语言（Shader Language）。程序员使用它们编写顶点着色器（Vertex Shader）、片元着色器（Fragment/Pixel Shader） 等程序，来控制渲染管线的各个阶段。

特性维度	GLSL (OpenGL Shading Language)	HLSL (High-Level Shading Language)	Cg (C for Graphics)
关联API	OpenGL / Vulkan (Vulkan使用SPIR-V字节码，通常由GLSL编译而来)	DirectX (D3D9, D3D10, D3D11, D3D12)	设计为跨API (主要支持OpenGL和DirectX)
主导公司	Khronos Group	Microsoft	NVIDIA
语法风格	与C语言类似，但具有大量内置的数学函数和数据类型（如`vec3`, `mat4`）。	与C语言类似，语法和HLSL与GLSL非常接近，但内置函数和语义(Semantics)的命名有所不同。	语法几乎是HLSL的超集。与HLSL极度相似，设计目标是一次编写，可编译到多个API目标。
平台特性	是OpenGL标准的一部分，与OpenGL一样是跨平台的。	深度集成于Microsoft平台，是DirectX的官方着色器语言。	已被官方弃用 (2012年宣布)。其理念和精神由HLSL和GLSL继承。
现状与用途	活跃发展。是现代OpenGL和Vulkan开发的首选着色器语言。在Web端也有WebGL使用的GLSL ES。	极度活跃。是Windows游戏开发、Unity URP/HDRP、Unreal Engine等主流引擎的标准着色器语言。	历史意义重大。在早期简化了着色器开发，但其跨API的使命现在已由离线工具链（如Unity/UE的着色器编译器）更好地实现。开发者现在直接使用HLSL或GLSL。

核心总结与关系：

HLSL和GLSL是当前并行的两大主流着色器语言，分别牢牢绑定在DirectX和OpenGL/Vulkan生态中。
Cg是NVIDIA推出的跨API着色器语言，旨在解决HLSL和GLSL的分裂问题。虽然它已被弃用，但其语法深刻影响了HLSL和GLSL的发展。今天你在很多地方看到的类似HLSL的语法，其根源可能就是Cg。
现代游戏引擎（如Unity）如何处理？ 引擎通常会选择一个“主”着色器语言（Unity选择HLSL），然后通过其内部的着色器编译器，在打包时根据目标平台（Windows, macOS, Android等）将HLSL代码交叉编译成对应平台所需的着色器形式（如GLSL、GLSL ES、Metal SL等）。这使得开发者只需编写一种代码即可部署到多个平台。

三、ShaderLab

ShaderLab是Unity游戏引擎自定义的一种着色器描述语言。它本身不是一种像HLSL/GLSL那样的可编程着色器语言，而是一个包装和组织框架。

1、定位与作用

Unity需要支持从高端PC到移动WebGL的数十个图形API平台（OpenGL, Direct3D, Metal, Vulkan, GLES等）。如果让开发者直接为每个平台编写GLSL或HLSL代码，将是灾难性的。ShaderLab应运而生，它的核心作用是：

提供统一的抽象层：开发者使用一套ShaderLab语法来定义着色器，由Unity负责将其编译到所有目标平台。
描述着色器的结构：定义属性（Properties）、子着色器（SubShader）、通道（Pass）、渲染状态（Render State）等，而不仅仅是可以编程的代码。
集成可编程代码段：在ShaderLab的CGPROGRAM/HLSLPROGRAM块内部，开发者才真正地编写HLSL代码。

2、核心结构

一个典型的Unity ShaderLab文件（.shader）结构如下：

Shader "MyShader/Example" { // 着色器在材质下拉菜单中的路径Properties { // 定义在材质面板上可见的可调参数_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)_Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5}SubShader { // 为一个渲染平台或一组平台定义渲染方案// 标签：告诉Unity如何以及何时渲染该SubShaderTags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry" }// 渲染状态：如深度测试、混合模式、剔除模式等Cull BackZWrite OnPass { // 一个Pass代表一次渲染调用// 在CGPROGRAM或HLSLPROGRAM块中编写实际的HLSL代码CGPROGRAM#pragma vertex vert   // 编译指令：声明顶点着色器函数名#pragma fragment frag // 编译指令：声明片元着色器函数名#include "UnityCG.cginc" // 包含Unity的内置辅助函数和变量// 声明在Properties中定义的属性对应的变量sampler2D _MainTex;fixed4 _Color;// 定义数据结构（从CPU应用到顶点着色器，从顶点着色器到片元着色器）struct appdata { ... };struct v2f { ... };// 下面是HLSL代码！！！v2f vert (appdata v) { ... } // 顶点着色器fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { ... } // 片元着色器ENDCG // 结束HLSL代码块}}// 可选的Fallback，如果当前SubShader都不支持，则使用后备着色器Fallback "Diffuse"
}

3、与HLSL/GLSL的关系

ShaderLab是容器，HLSL是内容：ShaderLab文件像一个盒子，盒子里装的“货物”是写在CGPROGRAM/HLSLPROGRAM块中的HLSL代码。
Unity负责编译：当你点击打包时，Unity的着色器编译器会读取你的ShaderLab文件，提取出其中的HLSL代码，然后根据你要发布的平台（如Windows -> D3D11, macOS -> Metal）将其交叉编译成对应的底层着色器字节码（如DXBC, SPIR-V, MSL）。开发者无需关心平台差异。

4、总结

ShaderLab是Unity引擎为了实现“一次编写，多处部署”的跨平台着色器解决方案而创造的一种领域特定语言（DSL）。它通过封装渲染设置、属性并集成HLSL代码段，极大简化了现代游戏开发中复杂且碎片化的着色器编写工作。

四、提出问题

计算机图形学、GPU、OpenGL/DirectX、Unity、Shaderlab之间是什么关系？

1、理论基础 - 计算机图形学 (Computer Graphics)

角色：理论、算法和数学基础。
关系：它是所有其他技术的根基。它研究如何用计算机生成、处理和显示图像。它定义了：
渲染管线：顶点处理、光栅化、着色、混合等一系列步骤。
核心算法：如变换（矩阵运算）、光照模型（Phong, Blinn-Phong）、纹理映射、阴影生成、几何处理、光线追踪等。
数学模型：向量、矩阵、四元数、坐标系、投影等。
简单来说：OpenGL/DirectX是计算机图形学理论的具体实现。Shader中写的代码就是在实现图形学中的各种算法和模型。

2、硬件核心 - GPU (Graphics Processing Unit)

角色：专门处理图形和并行计算的硬件。
关系：GPU是所有这些软件技术最终要控制和驱动的物理设备。它的设计特点（高度并行、流水线化）决定了图形API和着色器语言的工作方式。
顶点着色器 在GPU的一组核心上并行执行。
片元着色器 在另一组更庞大的核心上并行执行。
简单来说：GPU是“工厂”，它被设计成能高效地完成图形学计算任务。

3、标准与桥梁 - 图形API (OpenGL / DirectX)

角色：操作系统/应用程序与GPU驱动之间的标准化桥梁。
关系：直接操作GPU硬件是非常复杂且与厂商强相关的。图形API的出现，提供了一套统一的、标准的函数库。
对下：各家GPU厂商（NVIDIA, AMD, Intel）会为自己的显卡提供实现该API标准的驱动程序。这意味着开发者调用OpenGL.glDrawArrays()时，NVIDIA和AMD的驱动会分别将它翻译成自己GPU能听懂的指令。
对上：应用程序（如游戏、Unity引擎）只需要调用这些标准的API函数（如glDrawArrays, DrawIndexed）就可以命令GPU进行渲染，而无需关心底层的硬件差异。
简单来说：OpenGL/DirectX是“标准化的工作指令”，它告诉GPU“工厂”要生产什么，但具体每个车间（不同品牌的GPU）怎么生产，由车间主任（驱动）自己决定。

4、游戏引擎 - Unity

角色：集大成的应用框架和生产力工具。
关系：游戏引擎建立在图形API之上，提供了更高层次的抽象。
它封装了图形API：Unity的渲染代码底层实际上调用了OpenGL、DirectX、Metal或Vulkan。但开发者不需要直接处理这些API，Unity帮你处理了跨平台的问题。
它提供了完整的工作流：不仅渲染，还包括物理系统、动画系统、音频系统、资源管理等，让开发者能更专注于游戏逻辑本身。
简单来说：Unity是“自动化的大型生产线”，它内部包含了调用“标准化工作指令”（图形API）的模块，并为你提供了编辑器、按钮和仪表盘来更方便地管理整个“工厂”（GPU）的生产流程。

5、引擎中的着色器框架 - ShaderLab

角色：Unity引擎内部用于定义和编写着色器的特定领域语言(DSL)和框架。
关系：这是最具体的一层。
ShaderLab是Unity的一部分：.shader文件是Unity的资产。
它是对图形API的进一步抽象：它的主要目的是解决不同平台（对应不同图形API）的着色器语言差异。你在ShaderLab中写入CGPROGRAM/HLSLPROGRAM代码块（通常写HLSL）。
Unity的编译器在打包游戏时，会将你的HLSL代码交叉编译到目标平台所需的着色器语言（如Windows平台编译为HLSL/GLSL，macOS平台编译为MSL，Android平台编译为GLSL ES）。
简单来说：ShaderLab是Unity这条“生产线”上的“标准化工艺单模板”。你在这个模板上用一种格式（HLSL）写下工艺要求，Unity的翻译部门（着色器编译器）会把它转换成不同“工厂”（不同平台的GPU）能看懂的“具体指令格式”。

五、总结与类比

层级	技术	类比
理论层	计算机图形学	物理学定律 (如牛顿力学)
硬件层	GPU	工厂的机器和工人
接口层	OpenGL / DirectX	标准的机器操作指令手册
框架层	Unity引擎	一整套自动化生产线和管理系统
工具层	ShaderLab	生产线上使用的、统一的工艺单模板

整个工作流程就像是：

一位工程师（你，开发者）利用物理学定律（图形学） 知识，在生产线管理系统（Unity） 中，填写了一张工艺单（ShaderLab文件），描述了如何制造一个产品。管理系统收到指令后，根据目标工厂的类型（Windows/Android等），将工艺单翻译成该工厂标准指令手册（OpenGL/DirectX） 上的具体命令。工厂的车间主任（GPU驱动）收到这些标准命令后，再指挥自己家的工人和机器（GPU） 开始并行地、高效地生产出最终产品（屏幕上的画面）。