Shader编写指南（二）：语言、方式与跨平台适配

一、着色器开发使用的语言

在 Unity 中编写着色器主要涉及两种语言，分别用于不同层面的逻辑实现：

1. HLSL（High-Level Shading Language）

   • 用途：编写着色器的核心程序（顶点着色器、片元着色器、计算着色器等）。
   • 优势：
     • 跨平台兼容性：Unity 自动将 HLSL 编译为不同图形 API（如 DirectX 的 HLSL、OpenGL 的 GLSL、Metal 的 SLang）的代码。
     • 官方支持：URP、HDRP 及内置管线均优先支持 HLSL，且提供丰富的内置函数库（如UnityCG.cginc中的坐标转换、光照计算）。
   • 示例：

     hlsl

     // 片元着色器中计算漫反射光照  
     fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET {  
         fixed3 lightDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz;  
         fixed3 normal = normalize(i.normal);  
         fixed diff = saturate(dot(lightDir, normal));  
         return fixed4(diff, diff, diff, 1);  
     }  
     

2. ShaderLab

   • 用途：定义着色器的结构和属性，作为 HLSL 程序的容器。
   • 核心功能：
     • 声明材质面板参数（如纹理、颜色、数值滑块）。
     • 定义子着色器（SubShader）、渲染路径（Render Path）、LOD 等级等。
   • 示例：

     hlsl

     Shader "Custom/DiffuseShader" {  
         Properties {  
             _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}  
             _TintColor ("Tint Color", Color) = (1,1,1,1)  
         }  
         SubShader {  
             Tags { "RenderType"="Opaque" }  
             Pass {  
                 CGPROGRAM  
                 #pragma vertex vert  
                 #pragma fragment frag  
                 #include "UnityCG.cginc"  
                 // 引用HLSL变量  
                 sampler2D _MainTex;  
                 float4 _MainTex_ST;  
                 fixed4 _TintColor;  
                 // ... 顶点和片元着色器代码 ...  
                 ENDCG  
             }  
         }  
     }  
     

3. 其他语言（非推荐）

   • GLSL：直接为 OpenGL 平台编写着色器，但 Unity 仅部分支持，且需手动处理跨平台差异。
   • Metal SLang：仅用于 iOS/macOS 平台，Unity 会自动将 HLSL 编译为 Metal 代码，无需直接编写。

二、着色器编写的不同方式

Unity 提供三种主要的着色器编写方式，适用于不同场景和开发需求：

1. 顶点与片元着色器（Vertex & Fragment Shaders）

   • 特点：
     • 直接控制渲染管线的顶点处理和像素计算阶段，灵活性最高。
     • 需手动实现光照、阴影等逻辑，适合高性能需求或自定义渲染效果（如体积雾、卡通渲染）。
   • 适用场景：
     • 优化关键材质（如角色皮肤、武器特效）。
     • 实现传统管线不支持的效果（如动态网格变形、自定义光照模型）。
   • 代码结构：

     hlsl

     struct appdata {  
         float4 vertex : POSITION;  
         float2 uv : TEXCOORD0;  
     };  
     struct v2f {  
         float2 uv : TEXCOORD0;  
         float4 pos : SV_POSITION;  
     };  
     v2f vert(appdata v) {  
         v2f o;  
         o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  
         o.uv = v.uv;  
         return o;  
     }  
     fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET {  
         return fixed4(1, 0, 0, 1); // 红色输出  
     }  
     

2. 表面着色器（Surface Shaders，内置管线专用）

   • 特点：
     • 基于高级抽象层，自动处理光照、阴影、法线贴图等复杂逻辑。
     • 语法简化，只需定义材质的表面属性（如漫反射、高光、透明度）。
   • 局限性：
     • 仅适用于内置渲染管线，URP/HDRP 不支持。
     • 生成的代码较多，性能略低于顶点 / 片元着色器。
   • 示例：

     hlsl

     struct SurfaceOutput {  
         fixed3 albedo;  
         fixed3 normal;  
         fixed3 emission;  
         float alpha;  
     };  
     void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o) {  
         o.albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv).rgb;  
         o.normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv));  
     }  
     

3. 固定函数着色器（Fixed Function Shaders，旧版兼容）

   • 特点：
     • 使用 ShaderLab 的旧版指令（如Color、Material、Lighting），无需 HLSL 代码。
     • 功能受限，仅支持基础渲染（如漫反射、顶点光照），不推荐用于新项目。
   • 示例：

     hlsl

     Shader "Legacy/Diffuse" {  
         SubShader {  
             Pass {  
                 Material {  
                     Diffuse [_MainColor]  
                 }  
                 Lighting On  
                 SetTexture [_MainTex] {  
                     Combine Primary * Texture  
                 }  
             }  
         }  
     }  
     

三、跨图形 API 的着色器编写

Unity 会自动将 HLSL/ShaderLab 代码编译为不同平台的图形 API 代码，但部分场景需手动处理差异：

1. 图形 API 与编译目标

   平台	图形 API	HLSL 编译目标
   Windows/macOS	DirectX 11/12	HLSL
   Linux	OpenGL/OpenCL	GLSL（通过 glslang 转换）
   Android	Vulkan/OpenGL ES	GLSL
   iOS/macOS	Metal	Metal SLang（自动转换）
   WebGL	WebGL 1.0/2.0	GLSL ES

2. 跨平台注意事项

   • 纹理采样差异：
     • 使用 Unity 内置宏UNITY_SAMPLE_TEX2D替代原生tex2D，自动适配不同 API 的采样方式。

     hlsl

     // 正确方式  
     fixed4 tex = UNITY_SAMPLE_TEX2D(_MainTex, i.uv);  
     // 避免直接使用  
     fixed4 tex = tex2D(_MainTex, i.uv);  
     

   • 精度声明：
     • 移动端需显式声明变量精度（如half或fixed），减少 GPU 指令数。

     hlsl

     // 声明half精度（适用于URP移动端）  
     half4 frag(v2f i) : SV_TARGET { ... }  
     

   • 剔除模式与深度测试：
     • 部分 API（如 Metal）默认开启背面剔除，需通过Tags { "Cull"="Off" }显式关闭。

3. 条件编译与平台判断

   • 使用#pragma target指定 Shader Model 版本（如#pragma target 3.0）。
   • 通过UNITY_API_FAMILY宏判断当前 API 家族（如UNITY_API_FAMILY_OpenGL）。

   hlsl

   #if UNITY_API_FAMILY_URP  
       // URP专用代码  
   #endif  
   

四、推荐工作流与学习路径

1. 新项目最佳实践

   • 渲染管线选择：
     • 移动端 / 中低端设备：使用 URP + Shader Graph 或手写 HLSL 顶点 / 片元着色器。
     • 高端平台 / 电影级效果：使用 HDRP + Shader Graph，结合 HLSL 实现复杂逻辑。
   • 避免使用：表面着色器（Surface Shaders）和固定函数着色器，优先采用可视化工具或底层 HLSL。

五、总结：选择合适的着色器开发方式

通过理解不同语言和编写方式的适用场景，结合 Unity 的自动编译机制，开发者可高效实现跨平台的高性能着色器，同时利用可视化工具（如 Shader Graph）降低入门门槛。建议从顶点 / 片元着色器的基础语法入手，逐步深入 HLSL 和渲染管线原理，以应对复杂的渲染需求。