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Unity Shader 入门精要学习笔记

Unity Shader 中 SubShader 的工作机制和选择逻辑

  • SubShader 的基本规则：一个 Shader 文件可以包含一个或多个 SubShader，但最少要有一个
  • SubShader 的基本规则：平台适配性（根据硬件内容）
  • Unity 是如何选择 SubShader 的：在加载 Shader 时会遍历所有 SubShader，然后选择第一个可以在目标平台运行的，如果都不支持的话，会使用 FallBack 指定的 Shader
  • 为什么需要多个 SubShader？因为不同显卡的能力不同，高端 PC 支持复杂计算、多 Pass、高级特效，低端手机只可以跑基础版本
  • 每个 Pass 等于一次完整的渲染流程（顶点处理 → 片元处理 → 输出），所以多 Pass 会影响帧率性能

第一层：架构全景

第一层架构全景

第二层：Pass 内部

第二层Pass内部

第三层：常用语义/宏

第三层常用语义宏

SubShader 的 Tags 怎么选，用于控制渲染行为为引擎特性

  • 高频
  • Queue（渲染队列）：所用 控制渲染顺序，解决透明物体排序问题

Queue渲染队列

  • RenderType（渲染类型）：着色器分类，用于 Shader Replacement（着色器替换）着色器替换

RenderType渲染类型

  • 中频

  • DisableBatching（禁用批量处理）：强制关闭动态批处理，强制移动动态批处理/静态批处理问题

DisableBatching

  • ForceNoShadowCasting（强制无阴影）：该物体不投射阴影

ForceNoShadowCasting

  • IgnoreProjector（忽略投影器）：不受 Projector（投影器）影响

IgnoreProjector

Tags总览表格

2026.4.9 更新

Unity Shader 的形式

Unity 的宠儿：表面着色器

适用于快速实现光照效果。核心特点是 Unity 自动生成多 Pass 代码，只需定义表面属性（颜色、光滑度、法线），光照计算由 Unity 内置处理。无需关心多光源，适合做：

  • PBR 材质（金属、光滑度）
  • 简单的卡通渲染
  • 快速原型验证

最聪明的孩子：顶点/片元着色器

核心特点是完全手动控制渲染流程，可以直接编写顶点和片元着色器，但需要显式定义 Pass。

应该选择哪种 Unity Shader 的形式？

除非有非常明确的需求必须使用固定函数着色器（如需要在非常旧的设备上运行，这类设备非常少见），否则请使用可编程管线的着色器，即表面着色器或顶点/片元着色器。

  • 如果你想和各种光源打交道，你可能更喜欢使用表面着色器，但需要小心它在移动平台的性能表现
  • 如果你需要使用的光照数目非常少，如只有一个平行光，那么使用顶点/片元着色器是一个更好的选择
  • 最重要的是，如果你有很多自定义的渲染效果，那么请选择顶点/片元着色器

此书学习使用的 Unity Shader 形式

学习此书的目的不仅在于教给读者如何使用 Unity Shader，更重要的是想让读者掌握渲染背后的原理。仅仅了解高层抽象虽然可能会暂时使工作简化，但从长久来看"知其然不知其所以然"所带来的影响会更加深远。

Unity Shader 不一定是真正的 Shader

Unity Shader 并不等于第 2 章所讲的 Shader，尽管 Unity Shader 翻译过来就是 Unity 着色器。在 Unity 里，Unity Shader 实际上指的就是一个 ShaderLab 文件——硬盘上以 .shader 作为文件后缀的一种文件。

与传统 Shader 相比，Unity Shader 的优势：

对比项 传统 Shader Unity Shader
着色器类型 只能编写特定类型（顶点/片元等） 同一文件可同时包含顶点和片元着色器
渲染设置 需要在另外的代码中手动设置（混合、深度测试等） 一行指令即可完成
输入输出 需要编写冗长代码，手动处理位置对应关系 在特定语句块声明属性，依靠材质方便修改

高度封装性的代价：对于一些类型的 Shader，例如曲面细分着色器等，Unity 的支持就差一些。

Unity Shader 和 CG/HLSL 之间的关系

Unity Shader 是用 ShaderLab 编写的，但对于表面着色器和顶点/片元着色器，我们可以在 ShaderLab 内部嵌套 Cg/HLSL 代码。Cg/HLSL 代码嵌套在 CGPROGRAM 和 ENDCG 之间。

从本质上来说，Unity 中只存在顶点/片元着色器。

第四章：学习 Shader 所需的数学基础

笛卡尔坐标系

分为左手坐标系和右手坐标系，Unity 是左手坐标系。

点和矢量

点 矢量
含义 位置 方向 + 大小
运算 无加减 可加减、数乘、点乘、叉乘
齐次坐标 (x, y, z, 1) (x, y, z, 0)
  • 矢量的模：矢量的长度
  • 矩阵：对空间进行线性操作的工具，向量 × 矩阵 = 变换后的新向量

什么是变换？

线性变换：保留矢量加法和标量乘法的变换，特点是直线还是直线，原点不动。

仿射变换：线性变换 + 平移，最常用，旋转、缩放、平移的组合。

齐次坐标：在三维空间中，平移不是线性的，所以要升维到 4×4 矩阵。

“在顶点着色器流水线阶段，做的工作就是把模型的顶点坐标从模型空间转换到齐次裁剪坐标空间。”

MVP 变换的完整链条

$$\text{模型空间} \rightarrow \text{世界空间} \rightarrow \text{观察空间} \rightarrow \text{裁剪空间} \rightarrow \text{NDC 空间} \rightarrow \text{屏幕空间}$$

为什么需要这么多坐标空间？

  • 让每个空间只处理特定的问题
  • 某些概念只在特定空间有意义（如法线在模型空间定义）
  • 硬件适配需要，最终都要映射到屏幕像素

📌 因为自己比较容易焦虑、急，所以看看大佬的知乎放在这里，回看时鼓励一下自己。

知乎鼓励

2026.4.11 更新

工具切换与学习感慨

空了一天在配置 Cursor 和 VSCode，以前都是用 VS Studio / Rider。现在 AI 时代了，这些都比较重，感觉 VSCode 比较好用，16G 也吃得消。

  • Cursor 感觉字体有点丑，U++ 的代码都比较长，挤在一块，密密麻麻的
  • VSCode 就刚刚好，而且扩展也很强大

第五章开始有代码实战了，都会看到什么不明白的就问一下 AI，再记录下来。这样的话可能会很碎片化，东一块西一块。创建了第一个 Shader 文件，把每一行都注释了一下，有 C++ 基础倒还看得懂一点，但还是很懵，很想知道底层是怎么工作的。慢慢来吧。

第一个Shader文件

顶点着色器

写顶点着色器时使用 float4，突然想起来学习 GAMES101 时的齐次变换，突然就串起来了——原来使用四维向量是使用齐次坐标，方便把模型空间的顶点坐标换成裁剪空间坐标供 GPU 后续进行处理。

我定义了一个 float4 vertex，仅仅定义一个四维向量并不能使它拥有我们模型的顶点信息，所以这里我们需要为它指定一个语义——POSITION，POSITION 就是代表着模型的顶点位置信息。此时变量 vertex 就表示着我们模型的顶点位置。

在顶点着色器中最主要的事情就是将顶点从模型坐标转换到裁剪坐标（说白了就是将模型显示在二维显示器上时需要做的一些矩阵转换）。不会矩阵转换怎么办，没关系，Unity 已经为我们准备好现成的命令了，只需调用 UnityObjectToClipPos 即可，后面括号中加上我们的顶点位置变量就可以了。

然后呢，在后面片元着色器中我们需要顶点着色器中的输出结果，所以需要加上 return 来将转换后的顶点返回，float4 就是用来定义我们返回的是四维向量。

经过变换后返回的顶点位置，我们也需要利用语义来标记一下，以便片元着色器可以知道哪个是从顶点着色器输出过来的顶点位置信息。所以我们在函数的后面加上：SV_POSITION。

简单地说：

  • POSITION：用于顶点着色器，用来指定模型的顶点位置，是在变换前的顶点的本地空间坐标
  • SV_POSITION：用于像素着色器，用来标识经过顶点着色器变换之后的顶点坐标

在顶点着色器中处理顶点时，我们首先需要获取到模型的顶点数据（比如顶点位置、法线信息、顶点颜色等等），这些数据都是直接存储在模型中的，我们在 Shader 中只需要通过标识语义就可以自动获得。

片元着色器（像素着色器）

主要是处理最终显示在屏幕上的像素结果。

经过顶点着色器的处理，我们已经得到了最终显示在屏幕上的顶点矩阵，内部会自动进行插值计算，以获得当前模型的所有片元像素，然后每个像素都会执行一次片元着色器，得到最终每个像素的颜色值。

片元插值示意

片元着色器的函数名，其中 () 中是空的，因为在这个简单的示例中我们并不需要额外的数据传过来，所以暂时为空。

在 Cg/HLSL 中使用 Properties 中的变量前还需要在 Cg/HLSL 中再重新声明一次，名称要求一致。这是死规则，我们只能按照要求来执行。

float、half、fixed，这三都是浮点数的表示，只是分别对应的精度不一样，主要用来进行更进一步的优化。

直接返回 _Color，也就是直接返回我们在材质面板中定义的颜色，这也是我们这个小例子想要的效果。

SV_TARGET 是系统值，表示该函数返回的是用于下一个阶段输出的颜色值，也就是我们最终输出到显示器上的值。

重要补充：性能注意事项

顶点着色器与片元着色器的执行并不是 1:1 的。举个例子，一个三角面片，只有三个顶点，顶点着色器只需执行 3 次，而片元着色器由最终的像素数来决定，执行几百上千都是很正常的。

所以从性能的角度来考虑：

  • 尽量把计算放在顶点着色器中去执行
  • 在片元着色器中也要尽量简化算法，节省开支