【Unity Shaders】Vertex & Fragment Shader入门_unity vertex shader 传参给 fragment shader

写在前面

三个月以前，在一篇讲卡通风格的Shader的最后，我们说到在Surface Shader中实现描边效果的弊端，也就是只对表面平缓的模型有效。这是因为我们是依赖法线和视角的点乘结果来进行描边判断的，因此，对于那些平整的表面，它们的法线通常是一个常量或者会发生突变（例如立方体的每个面），这样就会导致最后的效果并非如我们所愿。如下图所示：

因此，我们有一个更好的方法来实现描边效果，也就是通过两个pass进行渲染——首先渲染对象的背面，用黑色略微向外扩展一点，就是我们的描边效果；然后正常渲染正面即可。而我们应该知道，surface shader是不可以使用pass的。

如果我们想要使用上述方法实现描边，我们就需要写另一种shader——fragment shader。和surface shader相比，这种shader需要我们编写更多的代码，处理更多的事情，但也可以让我们更加了解shader是如何工作的。而之前的一篇文章也分析过，其实surface shader的背后也是生成了对应的vertex&fragment shader。

这篇文章主要参考了Unity Gems里的一篇文章，但正如文章评论里所说，有些技术比如求attenuation稳重方法已经“过时”，因此本文会对这类问题以及一些作者没有说清的问题给予说明。在查资料的时候，发现由于Unity背后做了太多事，定义了很多变量、函数和宏，而又没有给出详尽的使用说明，写起来实在太头大了。。。同样，本篇内容仅供参考。

Vertex & Fragment Shaders

Vertex & Fragment Shaders的工作流程如下图所示（简略版，来自Unity Gems）：

所以，看起来也没那么难啦~我们只需要编写两个函数就可以喽~

我们来分析下它的流程。首先，vertex program收到系统传递给它的模型数据，然后把这些处理成我们后续需要的数据（但至少要包含这些顶点的位置信息）进行输出。其他的输出数据比如有，纹理的UV坐标以及其他需要传递给fragment program的数据。然后，系统对vertex program输出的顶点数据进行插值，并将插值结果传递给fragment program。最后，fragment program根据这些插值结果计算最后屏幕上的像素颜色。

在本篇文章，我们首先会学习编写一个简单的diffuse & diffuse bumped shader。然后再来具体看如何编写一个具有多个passes的shader。

Diffuse, Vertex Lit Fragment Shader

开始的开始，我们首先需要在SubShader中使用Pass {}关键字定义一个pass。一个Pass可以为该阶段定义一系列的tags。例如，我们可以剔除（Cull）背面或者正面，控制是否写入Z buffer等。我们的diffuser shader将会剔除背面。具体可见官网。

下面是我们的Pass定义：

		Pass {
			Tags { "LightMode" = "Vertex" }
			Cull Back
			Lighting OnCGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#pragma multi_compile_fwdbase
			
			#include "UnityCG.cginc"
			
			// More code here
			
			ENDCG
		}

在上面的代码里，我们定义了一个pass，设定LightMode为Vertex，告诉它打开光源并且剔除背面。然后，我们定义了CG程序的开头部分，指定了vertex和fragment programs的名字。最后，我们包含了Unity定义的一个文件，以便在后面的CG程序中可以使用某些函数和变量。

LightMode是个非常重要的选项，因为它将决定该pass中光源的各变量的值。如果一个pass没有指定任何LightMode tag，那么我们就会得到上一个对象残留下来的光照值，这并不是我们想要的。其他各个LightMode的具体含义可以参见官网（很重要，一定要去看，特别是对于每个Pass的细节解释，一定要点进去看！！！），这里做一个简单的解释。

• LightMode=Vertex：会设置4个光源，并按亮度从明到暗进行排序，它们的值会存储在unity_LightColor[n], unity_LightPosition[n], unity_LightAtten[n]这些数组中。因此，[0]总会得到最亮的光源。
  
  
• LightMode=ForwardBase： _LightColor0将会是主要的directional light的颜色。
  
  
• LightMode=ForwardAdd：和上面一样， _LightColor0将是该逐像素光源的颜色。

Vertex Lit是什么

在我们写shader的时候有很多选择——我们可以定义多个passes，其中每一个pass处理一个光源，这样来处理所有的光源；或者我们选择逐顶点处理所有的光源（在一个pass里处理掉），然后再对它们进行插值。很明显，后面这种方式会快很多，因为它仅仅需要一个pass就可以了，而前一个方式需要更多的passes。

如果我们写了一个Vertex Lit shader，那么我们就会按照第二种方式那样，一次考虑所有的光源对顶点的影响。如果我们写了一个多passes的shader，那么它就会被多次调用，每次针对一个光源，考虑该光源对模型的影响。

对于Vertex Lit，Unity已经为我们编写了一些辅助函数，我们会在后面看到。

The Vertex Program

下面，我们正式开始编写代码。首先，我们需要定义vertex program。而它需要得到模型的相关信息作为输入，因此，我们定义下面的结构：

			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};

这个结构定义依赖某些语法，即那些“：XXX”样子的值。我们的变量叫什么并不重要，但这些“：XXX”语法则说明系统将使用哪些值去填充它们。这里，我们通过上述代码可以得到了model space中的顶点位置、法线方向以及纹理坐标。