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游戏开发Unity/ ShaderLab学习路径

news 2025/7/25 11:42:26

掌握 ShaderLab 需要循序渐进地学习，结合理论、实践和工具。以下是一个推荐的学习路径，帮助你从零基础逐步进阶：

阶段一：基础准备 (理解核心概念与环境)

必备知识：
- 编程基础： 至少熟悉一种编程语言（C# 或 C++ 最佳），理解变量、函数、控制流等概念。Shader 编程逻辑性很强。
- 数学基础 (尤其重要)：
  - 向量和矩阵运算： 点积、叉积、矩阵乘法、变换（平移、旋转、缩放）。这是理解顶点变换、光照计算的基础。
  - 基础三角函数： sin, cos, tan 等常用于波形、旋转、周期性动画。
  - 坐标系： 模型空间、世界空间、观察空间、裁剪空间、屏幕空间。理解顶点如何在不同空间转换。
  - 基础线性代数： 理解向量空间、线性变换。
- 图形学基础概念：
  - 渲染管线： 理解 CPU 提交数据 -> 顶点着色器 -> 光栅化 -> 片元着色器 -> 输出到屏幕的流程。明确 Vertex Shader 和 Fragment Shader 的职责。
  - 光照模型： 环境光、漫反射 (Lambert)、高光反射 (Phong, Blinn-Phong)。理解光线如何与表面交互。
  - 纹理映射： UV 坐标、采样、纹理过滤（点采样、双线性、三线性）。
  - 混合： Alpha 混合 (Blend) 原理。
Unity 基础：
- 熟悉 Unity 编辑器界面和基本操作。
- 了解材质 (Material) 的概念及其与着色器 (Shader) 的关系。
- 知道如何创建材质球并为其分配着色器。

阶段二：入门 ShaderLab (语法与固定函数着色器)

ShaderLab 结构：
- 学习 .shader 文件的基本结构：
  - Shader "Path/Name"：定义着色器在材质下拉菜单中的路径和名称。
  - Properties 块：定义在材质检视面板中暴露的可调参数（颜色、浮点数、纹理、向量等）。
  - SubShader 块：针对不同渲染路径或硬件级别的实现。
  - Pass 块：一次完整的渲染过程（顶点处理 + 片元处理）。
  - CGPROGRAM / ENDCG：包裹 CG/HLSL 代码块（可编程着色器）。
  - Tags：设置渲染顺序 ("Queue")、渲染类型 ("RenderType")、是否投射阴影 ("ForceNoShadowCasting") 等。
  - LOD：细节级别。
- 理解 Properties 如何与 CG/HLSL 代码中的变量关联。
固定函数着色器 (Fixed-Function Shader):
- 目标： 理解早期着色方式，学习 ShaderLab 语法，制作简单效果。
- 内容：
  - 使用 SetTexture 命令进行简单的纹理采样和混合。
  - 使用 Lighting On / Material 块实现简单的逐顶点光照（漫反射、环境光）。
  - 学习 Color, ColorMaterial 等命令。
- 实践： 编写一个只显示纹理的着色器；编写一个带简单顶点光照的纹理着色器。

阶段三：核心 - CG/HLSL 与可编程着色器 (Vertex & Fragment Shader)

CG/HLSL 语言基础：
- 语法：变量声明、数据类型 (float, half, fixed, float2/3/4, sampler2D)、结构体、函数。
- 语义 (Semantics)： POSITION, NORMAL, TEXCOORD0, SV_POSITION, COLOR 等。理解输入输出数据流。
- 常用内置函数： mul (矩阵乘法), dot (点积), cross (叉积), normalize, lerp (线性插值), tex2D (纹理采样), saturate (钳制到 [0,1]) 等。
顶点着色器 (Vertex Shader):
- 职责： 将模型顶点从模型空间变换到裁剪空间（通过 MVP 矩阵）。
- 计算并传递数据给片元着色器（如：世界空间位置、法线、UV、顶点颜色等）。
- 实现简单的顶点动画（如：波浪、旋转）。
片元着色器 (Fragment Shader / Pixel Shader):
- 职责： 计算每个像素（更准确说是片元）的最终颜色。
- 核心内容：
  - 纹理采样与应用。
  - 光照计算： 实现自定义光照模型（Lambert, Phong, Blinn-Phong, 半兰伯特）。
  - 理解 _WorldSpaceLightPos0, _LightColor0, UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 等内置光照变量。
  - 法线贴图 (Normal Mapping)：使用切线空间法线扰动表面法线，增加细节。
  - 透明与混合 (Blend 命令)。
  - 简单的屏幕后处理效果基础（需要结合 OnRenderImage）。
实践项目 (关键！)：
- 无光照纯色/纹理着色器。
- 自定义漫反射光照着色器（逐顶点/逐像素）。
- 自定义高光（Phong/Blinn-Phong）着色器。
- 纹理 + 法线贴图着色器。
- 透明着色器（Alpha Blend）。
- 溶解效果 (利用 clip 函数)。
- 简单的顶点动画（如旗帜飘动）。
- 边缘光 (Rim Light) 效果。

阶段四：进阶技术与优化

表面着色器 (Surface Shader)：
- 理解： Unity 对光照模型的一种高级封装。它帮你处理了光照pass、阴影pass、前向/延迟渲染兼容性等复杂问题，你只需关注表面的属性（反照率、法线、自发光、高光、光滑度、金属度等）和光照函数。
- 学习： SurfaceOutput 结构体， surf 函数，自定义光照函数 LightingXxxx。
- 适用场景： 需要标准光照（特别是 PBR）且不想手动处理所有pass的情况。非常常用。
- 实践： 实现自定义光照模型的表面着色器（如 Toon 卡通着色）。
渲染路径 (Rendering Path)：
- 理解前向渲染 (Forward Rendering) 和延迟渲染 (Deferred Rendering) 的区别、优缺点及适用场景。
- 学习如何在 Shader 中处理多光源（前向渲染中的 ForwardAdd pass）。
- 了解 LightMode Tag ("ForwardBase", "ForwardAdd", "Deferred")。
阴影：
- 理解阴影投射 (ShadowCaster pass) 和阴影接收的原理。
- 学习如何让自定义着色器投射和接收阴影（通常需要定义 ShadowCaster pass 或使用 fallback）。
- 了解 SHADOW_COORDS, TRANSFER_SHADOW, SHADOW_ATTENUATION 宏（用于接收阴影）。
屏幕空间效果：
- 使用 GrabPass 抓取屏幕内容。
- 实现简单的扭曲、全屏模糊、简单颜色校正等效果。
光照贴图与全局光照 (GI)：
- 学习 LIGHTMAP_ON 宏和 DECLARE_LIGHTMAP_COORDS / TRANSFER_LIGHTMAP 等宏。
- 让着色器支持烘焙光照贴图和实时/烘焙混合光照。
Shader Graph (可视化工具)：
- 目标： 快速搭建效果原型，理解节点化流程，降低复杂 HLSL 代码编写负担。
- 学习： 节点操作、常用节点（数学、纹理、UV、向量、光照节点等）、自定义函数节点、子图 (Sub Graph)。
- 实践： 用 Shader Graph 复现之前用代码写的效果（如溶解、边缘光、简单 PBR）。
优化技巧：
- 精度： 合理使用 float (高精度，32位), half (中精度，16位), fixed (低精度，11位) 优化性能和带宽。
- 计算量： 避免复杂计算在片元着色器中进行（尤其移动平台），尽量移到顶点着色器或预计算。使用查找纹理 (Lookup Texture)。
- 分支： GPU 不擅长分支预测，尽量避免片元着色器中的复杂分支 (if/else)。
- 纹理采样： 减少采样次数，使用纹理图集 (Texture Atlas)。
- Shader Variants： 理解 #pragma multi_compile 和 #pragma shader_feature 产生的变体，避免不必要的变体导致包体膨胀。

阶段五：深入与探索

高级光照模型：
- 基于物理的渲染 (PBR)： 学习金属度/粗糙度工作流或镜面反射/光泽度工作流。理解 Standard / Standard (Specular setup) 表面着色器背后的原理。
- 次表面散射 (SSS)。
- 各向异性高光。
- 毛发渲染 (Kajiya-Kay)。
高级效果：
- 视差贴图 (Parallax Mapping)。
- 屏幕空间反射 (SSR)。
- 程序化纹理/噪声生成 (Perlin, Simplex)。
- 体积效果（光线步进 Ray Marching）。
- 卡通渲染 (Cel Shading / NPR)。
- 水体效果。
- 地形混合着色器。
Compute Shader：
- 利用 GPU 进行通用计算，处理大量并行数据（物理模拟、粒子系统、图像处理等）。
Shader Debugging：
- 熟练使用 Frame Debugger。
- 利用 return float4(someValue, 1); 在片元着色器中输出中间值进行调试。
- 使用 RenderDoc 等外部工具进行深度分析。

学习资源推荐

官方文档 (必读！)：
- Unity Manual - Shaders: https://docs.unity3d.com/Manual/Shaders.html
- Unity Scripting API - ShaderLab: https://docs.unity3d.com/Manual/SL-Reference.html
- Built-in Shader Include Files (如 UnityCG.cginc)：阅读源码是学习内置函数和宏的最佳方式。通常位于 [Unity安装路径]/Data/CGIncludes。
经典书籍/教程：
- 《Unity Shader入门精要》（冯乐乐著） - 中文经典，系统全面。
- 《Unity 2018 Shaders and Effects Cookbook》 - 英文，案例驱动。
- Catlike Coding - Rendering Tutorials (https://catlikecoding.com/unity/tutorials/rendering/) - 非常深入、系统的英文教程。
- Ben Cloward’s Shader Development YouTube Channel (https://www.youtube.com/@BenCloward) - 大量实用视频教程。
社区：
- Unity Forums (Graphics 板块)：https://forum.unity.com/forums/graphics.75/
- ShaderToy (https://www.shadertoy.com/) - 学习 GLSL 和前沿效果的宝库（注意语法差异，但思路相通）。
- GitHub：搜索开源项目学习他人代码。
工具：
- Visual Studio / VS Code (with ShaderlabVSCode / Shader Languages Support 插件)： 提供语法高亮、自动补全。
- Shader Graph： Unity 内置可视化着色器编辑器。
- Amplify Shader Editor： 强大的第三方可视化着色器编辑器。
- RenderDoc： 强大的图形调试器。
- Frame Debugger (Unity 内置)： 逐帧分析渲染过程。