使用Unity创建自定义Shader

# 1. 简介

## 1.1 什么是自定义Shader
自定义Shader是一种能够让开发者自行编写的渲染程序，它可以控制3D物体的外观和材质，包括光照、阴影、纹理等方面。使用自定义Shader可以实现游戏中更加个性化和独特的视觉效果。

## 1.2 为什么要使用自定义Shader
在游戏开发中，自定义Shader可以给开发者带来更大的自由度和创造力，能够实现一些普通Shader难以达到的效果，使游戏画面更加出色。

## 1.3 Unity中的Shader编程概述
Unity中的Shader编程使用一种类C的Shader语言，主要包括顶点着色器和片段着色器两部分。顶点着色器负责处理顶点的位置和光照计算，片段着色器则负责处理像素的最终颜色输出。Unity还提供了ShaderLab语言，用于编写Shader的外部文件，方便管理和调试。

## 2. 环境设置

在本章中，我们将学习如何设置使用Unity创建自定义Shader所需的环境。这包括下载和安装Unity以及进行一些必要的准备工作。

### 2.1 下载和安装Unity

要开始使用Unity创建自定义Shader，首先我们需要下载并安装Unity软件。以下是安装Unity的步骤：

1. 打开Unity官方网站（[https://unity3d.com/](https://unity3d.com/））。
2. 在官网中，点击"Get Unity"按钮。
3. 在新打开的页面中，您可以选择不同的Unity版本，根据自己的需要选择合适的版本。Unity提供了免费版本以及付费版本，根据自己的需求选择。
4. 点击所选版本的下载按钮，并按照页面上的提示完成下载和安装过程。

### 2.2 准备工作：创建新项目和导入必要的资源

在安装完Unity后，我们需要进行一些准备工作，包括创建一个新项目和导入一些必要的资源。

1. 打开Unity软件，并在欢迎界面选择"新建"。
2. 在"新建项目"界面中，选择项目的名称和保存路径。
3. Unity将自动为您创建一个新的项目，并打开Unity编辑器。
4. 在Unity编辑器中，您可以看到场景窗口、资源窗口以及层级窗口等。

现在，我们需要导入一些必要的资源，例如纹理贴图和模型文件。以下是导入资源的步骤：

1. 在Unity编辑器中，点击"文件"->"导入资产"。
2. 在打开的文件选择窗口中，浏览并选择您要导入的资源文件。
3. 点击"导入"按钮，Unity将自动导入您选择的资源文件，并将其放置在项目的"资产"文件夹中。

完成以上步骤后，您已经完成了环境设置的准备工作，现在可以开始创建自定义Shader了。

### 3. Shader语言基础

在本章中，我们将介绍Shader的语言基础知识，包括语法、数据类型、变量和常量、控制流程和函数定义，以及Unity ShaderLab的一些语法概述。

#### 3.1 基本语法和数据类型

Shader语言采用类似于C语言的语法，但也有一些特殊的语法和关键字。以下是一些常用的Shader语法元素：

- 注释：可以使用`//`或`/* */`来添加注释，用于解释代码的作用。
- 变量定义和赋值：使用`var_name = value`的形式来定义变量并赋初值。
- 数据类型：Shader语言支持常见的数据类型，包括`int`整数、`float`浮点数、`bool`布尔值、`vector`向量和`matrix`矩阵等。向量和矩阵有不同的维度，如`float3`表示三维向量，`float4x4`表示4x4矩阵。
- 运算符：Shader语言支持常见的运算符，如加减乘除、取余、逻辑运算符等。
- 函数调用：可以调用内置的Shader函数或自定义的函数来执行特定的操作。

#### 3.2 Shader中的变量和常量

在Shader中，变量可以是全局变量或局部变量。全局变量可以在整个Shader中使用，而局部变量只在特定的函数或代码块中有效。

Shader中的常量一般使用`#define`来定义，可以是数字、字符串或其他类型的常量。常量的值在编译时就确定了，不能在运行时改变。

#### 3.3 控制流程和函数定义

和其他编程语言一样，Shader语言也支持条件语句（如`if`、`else`）和循环语句（如`for`、`while`）。这些控制流程语句可以根据条件来选择不同的执行路径，或者重复执行一段代码。

除了内置的控制流程语句，Shader还支持自定义函数的定义和调用。通过函数可以将一些常用的逻辑封装起来，方便在多个地方重复使用。

#### 3.4 Unity ShaderLab语法概述

Unity中的Shader编写主要使用的是ShaderLab语言，它是一种基于文本的描述语言，用于描述Shader的外观和行为。ShaderLab会将ShaderLab代码转换为真正的Shader代码（如HLSL或GLSL）。

ShaderLab中的主要元素包括着色器类型、子着色器、标签和着色器属性等。着色器类型指定了Shader作为顶点着色器还是片段着色器来使用，子着色器可以包含多个不同的渲染路径，标签用于指定Shader在Unity编辑器中显示的信息，着色器属性用于传递数据给Shader。

在接下来的章节中，我们将更详细地了解如何在Unity中使用ShaderLab语言来创建自定义Shader效果。

本章小结：

### 4. 创建基本的Shader效果

在这一部分，我们将介绍如何创建一个基本的Shader效果，包括顶点着色器和片段着色器的编写，以及如何添加光照效果、纹理贴图和法线贴图。

#### 4.1 创建基本的顶点着色器

首先，让我们来创建一个基本的顶点着色器。顶点着色器负责处理顶点的位置和变换。以下是一个简单的顶点着色器示例：

Shader "Custom/BasicShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata_t
            {
                float4 vertex : POSITION;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
            };

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

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                return fixed4(1, 1, 1, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

在这个顶点着色器中，我们定义了一个结构体`appdata_t`来存储顶点位置信息，并且定义了一个顶点着色器函数 `vert` 来对顶点进行变换。同时，我们定义了一个结构体`v2f`来存储顶点数据传递给片段着色器，并且定义了一个片段着色器函数 `frag` 来指定颜色输出。

#### 4.2 创建基本的片段着色器

接下来，让我们来创建一个基本的片段着色器。片段着色器负责处理像素的颜色输出。以下是一个简单的片段着色器示例：

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

在这个片段着色器中，我们使用 `tex2D` 函数来获取纹理贴图 `_MainTex` 上的颜色，并返回给像素。

#### 4.3 添加光照效果

要在Shader中添加光照效果，我们需要在顶点着色器和片段着色器中进行一些调整，以计算光照对物体的影响。这涉及到对顶点法线和光照方向的处理，以及对漫反射和镜面反射的计算。

#### 4.4 使用纹理贴图和法线贴图

最后，我们可以在Shader中使用纹理贴图和法线贴图来增加物体的质感和细节。通过在顶点着色器和片段着色器中对纹理坐标和法线进行处理，我们可以实现贴图和法线贴图的效果。

### 5. 高级Shader效果

在这一章中，我们将学习如何使用Unity创建一些高级的Shader效果。这些效果包括着色器属性和变量传递数据、实现透明效果和混合模式、实现反射和折射效果，以及高级顶点动画技术。

#### 5.1 使用着色器属性和变量传递数据

在这一部分，我们将学习如何在Shader中使用着色器属性和变量来传递数据。着色器属性是一种在渲染对象时可以从材质外部设置的变量，而变量则是在Shader内部使用的数据。通过使用这些属性和变量，我们可以实现一些定制化的效果，比如调整材质的颜色、透明度和反射率等。

// Shader中的着色器属性声明
Properties {
    _Color("Main Color", Color) = (1,1,1,1)
    _Glossiness("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
    _Metallic("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
}

// 在顶点和片段着色器中使用着色器属性和变量
void vert(inout appdata_full v, out Input o) {
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex);
    o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
}

fixed4 frag(Input i) : SV_Target {
    fixed4 c = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;
    return c;
}

#### 5.2 实现透明效果和混合模式

透明效果和混合模式是在游戏中常见的效果，比如玻璃、水面等。在Shader中，我们可以通过调整混合模式和透明度来实现这些效果。Unity提供了一些预定义的混合模式，比如Alpha Blend、Additive、Multiply等，我们可以根据实际需要选择合适的混合模式来达到想要的效果。

// 在Shader中设置混合模式
Tags { "Queue" = "Transparent" }
SubShader {
    Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
    Pass {
        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        ENDCG
    }
}

#### 5.3 实现反射和折射效果

通过使用Shader，我们还可以实现一些高级的视觉效果，比如反射和折射。这些效果可以让游戏场景看起来更加真实和生动。在Shader中，我们可以通过计算入射光线和表面法线的夹角来实现反射效果，也可以使用折射公式来模拟光线穿过介质的效果。

// 在Shader中计算反射和折射效果
fixed4 frag(Input i) : SV_Target {
    float3 worldNormal = normalize(mul((float3x3)_Object2World, v.normal));
    float3 worldViewDir = normalize(float3(_WorldSpaceCameraPos) - i.worldPos);
    float3 worldReflection = reflect(-worldViewDir, worldNormal);
    // 计算反射光线颜色
    // ...
    // 计算折射光线颜色
    // ...
    return finalColor;
}

#### 5.4 高级顶点动画技术

最后，我们将介绍一些高级的顶点动画技术，比如骨骼动画、顶点蒙皮等。在Shader中，我们可以通过顶点着色器来实现这些技术，从而让游戏对象实现更加复杂和生动的动画效果。

// 在Shader中实现顶点动画
void vert(inout appdata_full v, out Input o) {
    // 根据时间和顶点信息计算新的顶点位置
    // ...
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
}

### 6. 总结和进一步学习

在本文中，我们学习了如何在Unity中创建自定义Shader。我们首先介绍了自定义Shader的概念和在游戏开发中的重要性。然后，我们深入研究了Unity中的Shader编程，并学习了Shader语言的基础知识。

接着，我们利用所学知识创建了基本的Shader效果，包括顶点着色器、片段着色器、光照效果以及纹理贴图和法线贴图的应用。随后，我们探讨了一些高级的Shader效果，如着色器属性和变量传递数据、透明效果和混合模式、反射和折射效果，以及高级顶点动画技术的实现。

最后，我们回顾了本文的主要内容，并提出了进一步学习的建议。如果你想深入学习自定义Shader的技术和应用，可以继续探索Unity官方文档、网络教程以及相关的学术论文和书籍。通过不断的实践和学习，你将能够掌握更多高级的Shader效果，并应用到自己的游戏开发项目中。