深入URP之Shader篇3: Unlit Shader分析[下]

Unlit shader

上篇中我们分析了Unlit shader的Properties在ShaderGUI中的处理，接下来看Sub Shader。

SubShader

unlit shader以及其他URP shader包含两个SubShader，分别是针对ShaderModel4.5和2.0。由于unlit shader本身很简单，这两个SubShader几乎一样，唯一的差别是ShaderModel 4.5的SubShader会定义#pragma multi_compile _ DOTS_INSTANCING_ON,这个可参考dots-instancing-shaders，本文中先忽略它。总之这儿的要点是URP会针对比较强大的设备使用一个SubShader，而比较弱的设备使用另一个。但这并不是说URP只是把设备分成两类这么简单，这儿只说Shader。由于硬件总是要发展，我们关注的重点是ShaderModel4.5，因此就只看这第一个SubShader了。

Pass

我们看到unlit shader的SubShader中包含了3个Pass,分别是Unlit,DepthOnly和Meta。我们知道URP是单Pass渲染，这只是说URP是在一个Pass中完成物体的大部分计算，包含各种光照的计算等等。而Sub Shader中仍然是会包含多个pass,这些Pass是在渲染管线中特定的时候被执行。例如这儿的DepthOnlypass，是在渲染所有不透明物体之前预先生成一张depth texture的pass；而Metapass则只在烘焙光照贴图时使用。而决定这些pass被使用的并不是他们的名字，而是上面说过的LightModetag。但是Unlitpass并没有指定这个tag,所以它使用的就是默认的SRPDefaultUnlit。

unlit pass

首先分析unlit pass

• keyword定义：

            #pragma shader_feature_local_fragment _ALPHATEST_ON
            #pragma shader_feature_local_fragment _ALPHAPREMULTIPLY_ON

            // -------------------------------------
            // Unity defined keywords
            #pragma multi_compile_fog
            #pragma multi_compile_instancing
            #pragma multi_compile _ DOTS_INSTANCING_ON
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shader feature支持alpha test和 alpha premultiply，muti compile则包含fog, instacing和 dots instancing。这些都是一些宏定义开关，shader使用了不同的开关，会编译成不同的变体，变体才是最终使用的shader。对于shader feature是可以定义在材质上的，上面处理Properties的时候看到会根据不同情况设置不同的关键字，就是设置使用这儿的关键字，所以要首先包含这些关键字。而multi compile是指无论如何都要包含这些关键字（和材质是否开启没关系）。

• uniform定义：
  uniform定义被包含在文件 UnlitInput.hlsl 中。这个hlsl文件定义了unlit shader使用的uniform，根据SRP的规则，使用的是CBuffer。

CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
    float4 _BaseMap_ST;
    half4 _BaseColor;
    half _Cutoff;
    half _Surface;
CBUFFER_END
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CBUFFER_START和CBUFFER_END是定义在SRP Core的Shader Library中的宏，并且根据不同的API有不同的定义，在GLES2中由于不支持constant uniform buffer，因此这两个宏被定义为空。

• Attributes 和 Varyings
  这两个分别是vertex shader的输入，以及fragment shader的输入，这是URP的命名习惯，和内置流水线不一样。

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS       : POSITION;
                float2 uv               : TEXCOORD0;
                UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
            };

            struct Varyings
            {
                float2 uv        : TEXCOORD0;
                float fogCoord  : TEXCOORD1;
                float4 vertex : SV_POSITION;

                UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
                UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
            };
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先忽略gpu instancing相关的宏。vs的输入只有位置和uv坐标，而fs的输入还多了一个fogCoord。

• Vertex shader

            Varyings vert(Attributes input)
            {
                Varyings output = (Varyings)0;

                UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
                UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input, output);
                UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(output);

                VertexPositionInputs vertexInput = GetVertexPositionInputs(input.positionOS.xyz);
                output.vertex = vertexInput.positionCS;
                output.uv = TRANSFORM_TEX(input.uv, _BaseMap);
                output.fogCoord = ComputeFogFactor(vertexInput.positionCS.z);

                return output;
            }
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同样先忽略instacing。VS就是简单的从物体局部坐标系变换到clip space，将结果写入Varying的vertex；变换uv坐标；以及计算雾参数。
这儿要注意的是GetVertexPositionInputs方法。这个方法位于Packages\com.unity.render-pipelines.universal\ShaderLibrary\ShaderVariablesFunctions.hlsl中：

VertexPositionInputs GetVertexPositionInputs(float3 positionOS)
{
    VertexPositionInputs input;
    input.positionWS = TransformObjectToWorld(positionOS);
    input.positionVS = TransformWorldToView(input.positionWS);
    input.positionCS = TransformWorldToHClip(input.positionWS);

    float4 ndc = input.positionCS * 0.5f;
    input.positionNDC.xy = float2(ndc.x, ndc.y * _ProjectionParams.x) + ndc.w;
    input.positionNDC.zw = input.positionCS.zw;

    return input;
}
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可以看到，这个方法里面计算了世界坐标，view坐标和clip space坐标，以及NDC坐标。几乎所有的URP shader都会调用这个方法。虽然说unlit shader里面只需要clip space坐标，但是为了统一就直接调用了。由于shader的函数都是内联的，不使用的变量和方法应该会被编译器优化掉（错了请告诉我），所以也不用太担心性能浪费。
关于uv坐标的变换，使用了TRANSFORM_TEX这个宏，这个宏的定义位于SRP Core的Shader Library中：
#define TRANSFORM_TEX(tex, name) ((tex.xy) * name##_ST.xy + name##_ST.zw)
就是使用_BaseMap_ST去缩放偏移了一下uv坐标。
最后，ComputeFogFactor也位于ShaderVariablesFunctions.hlsl中：

real ComputeFogFactor(float z)
{
    float clipZ_01 = UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(z);

    #if defined(FOG_LINEAR)
        // factor = (end-z)/(end-start) = z * (-1/(end-start)) + (end/(end-start))
        float fogFactor = saturate(clipZ_01 * unity_FogParams.z + unity_FogParams.w);
        return real(fogFactor);
    #elif defined(FOG_EXP) || defined(FOG_EXP2)
        // factor = exp(-(density*z)^2)
        // -density * z computed at vertex
        return real(unity_FogParams.x * clipZ_01);
    #else
        return 0.0h;
    #endif
}
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首先，real是一个宏定义，位于SRP Core的Common.hlsl中，对于支持half的平台，real就是half，否则就是float。
而UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE是定义在URP的core.hlsl中的一个宏，会根据是否是reverse Z做不同的计算，关于z相关的话题是很重要也比较复杂的，将会单独写一篇，这儿就不说了。

• Fragment Shader

            half4 frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
                UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(input);

                half2 uv = input.uv;
                half4 texColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, uv);
                half3 color = texColor.rgb * _BaseColor.rgb;
                half alpha = texColor.a * _BaseColor.a;
                AlphaDiscard(alpha, _Cutoff);

#ifdef _ALPHAPREMULTIPLY_ON
                color *= alpha;
#endif

                color = MixFog(color, input.fogCoord);

                return half4(color, alpha);
            }
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SAMPLE_TEXTURE2D是一个定义在SRP Core shader library中的一个跨平台的宏，例如：
dx11是
#define SAMPLE_TEXTURE2D(textureName, samplerName, coord2) textureName.Sample(samplerName, coord2)

GLES2是
#define SAMPLE_TEXTURE2D(textureName, samplerName, coord2) tex2D(textureName, coord2)

AlphaDiscard也还是位于ShaderVariablesFunctions.hlsl中：
void AlphaDiscard(real alpha, real cutoff, real offset = 0.0h)
{
#ifdef _ALPHATEST_ON
clip(alpha - cutoff + offset);
#endif
}
很简单，根据是否定义_ALPHATEST_ON关键字，使用cutoff计算clip。
这儿还会判断关键字_ALPHAPREMULTIPLY_ON,如果定义，则会将alpha值预先乘到color上，这就是传统的Alpha预乘技术。

Depth only pass

Depth only pass用于生成场景的深度贴图。这个pass的代码在Packages\com.unity.render-pipelines.universal\Shaders\DepthOnlyPass.hlsl中。

本篇小结

本篇中我们主要分析了Unlit pass的内容，可以看到很多宏定义，函数都来自于URP和SRP Core的ShaderLibrary中。熟悉这些宏和函数方便我们写自己的自定义Shader。另外我们要注意CBuffer这个结构，后面会说一下SRP Batcher相关的内容。