UNITYシェーダー研究 環境構築～サーフェースシェーダ軽く

このソースは GitHub - YukiMiyatake/UnityLesson at Shader_1

はじめに

UNITYのシェーダの知見が少したまってきたので、自分でアウトプットしておかなければ忘れてしまう
ので　メモをしていたが

もっと基礎から知りたいという人が多かったので
超基礎からやります。

UNITYシェーダ入門　タグでしばらく書きます

準備

UNITYでプロジェクト作成します。　今回は UNITY2017.1.0f3 を使用した

ビルトインシェーダのコードは色々と勉強になるので UNITYのAdditionalDownloadから落としておくとよい
https://unity3d.com/jp/get-unity/download/archive
ここから　ダウンロードタブを開くと　色々なものをダウンロードできるが　ビルトインシェーダを落とす
落とさなくてもビルトインシェーダは使えるが、きっとコードを確認したくなるので。

キャラクタモデルは　UNITYちゃんを使おうと思ったけど、さらに権利のゆるそうな　中野シスターズにしました
中野シスターズダウンロードしておいてね！

中野シスターズ（ナカシス） 公式サイト

中野シスターズをインポートし、画面に配置します
UNITYメニューより　Import->NewAssetで　ダウンロードファイルの　naka.fbx、kano.fbxをインポート

そして naka（あるいはkano）のプレファブを画面にドラッグし　Positionは(0, 0, 0)　Rotateは (0, 180, 0)に

デフォルトではカメラが遠いので、アップになるようカメラを近づけて実行

表示された

シェーダーを変更

中野シスターズは　Standardというシェーダーが付いている
これは　ビルトインシェーダ―の　Standard　という名前のシェーダーで、物理ベースの標準的なシェーダーである

これを新規のシェーダーに置き換える

Create->Shaderをすると　たくさんのリストがでる

• Standard Surface Shader サーフェースシェーダという独自のシェーダ
  頂点シェーダとフラグメントシェーダを一緒に　簡単に記述できる反面、細かい制御は出来ない
• Unit Shader 頂点シェーダとフラグメントシェーダを記述する。
  今回はコレ
• Image Effect Shader ポストプロセスに使うシェーダ
• Compute Shader GPGPUを行う　コンピュートシェーダを記述
• Shader Variant Collection ヘッダのようなもの

SurfaceShader

上記でSurfaceShaderを作ろう
ファイル名が　NewSurfaceShaderになっているが、自由にかえてよい
ySurfaceに変更してみた

シェーダーの中身は下記

Shader "Custom/NewSurfaceShader" {
    Properties {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200
        
        CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
       #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
       #pragma target 3.0

        sampler2D _MainTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        half _Glossiness;
        half _Metallic;
        fixed4 _Color;

        // Add instancing support for this shader. You need to check 'Enable Instancing' on materials that use the shader.
        // See https://docs.unity3d.com/Manual/GPUInstancing.html for more information about instancing.
        // #pragma instancing_options assumeuniformscaling
        UNITY_INSTANCING_CBUFFER_START(Props)
            // put more per-instance properties here
        UNITY_INSTANCING_CBUFFER_END

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
            // Albedo comes from a texture tinted by color
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            // Metallic and smoothness come from slider variables
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

非常に短いが名前を変えておこう

 Shader "Custom/NewSurfaceShader" {  

ここがシェーダー名を設定する箇所だ
好きな名前にかえてみよう。　とりあえず　Custom/ySurface　に変更してみた

中野シスターズモデルのマテリアルに対して、今はStandardがついているが　それを上記のシェーダーに変更してみる

違いはわからないが、シェーダーが変わった

サーフェースシェーダは今回は扱わないので、軽く流して説明（メモする）

SurfaceShader解説

SurfaceShaderは実際のところ、フラグメントシェーダはビルトイン（あるいは自作）のシェーダを呼び出すという処理である

Shader名

Shader "Custom/yShader" {

この部分は上記の シェーダ名の設定
マテリアルに設定するときの名前である
/ を付けることにより、Editor上で階層構造で表示できるので便利

Property

 Properties {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }

シェーダーに対して渡す変数やテクスチャを宣言する
ここに書くと、Editor上に設定項目として出る
実際にシェーダ内で値を使うときには、パス内で定義しなおさなければならない

Syntaxは 変数名 (“Editor表示名”, 型　　) = デフォルト値
_Color (“Color”, 　　　 Color ) = (1,1,1,1)

という風になっている
型やDrawer(属性)は色々あるので　マニュアル参照

Unity - マニュアル: ShaderLab ：プロパティー

SubShader

 SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

ここにシェーダーの内部実装をかく SubShaderは複数書くことが出来る TagsやLODは、このSubShaderを実行するための条件で、この条件に合致したときのみこのシェーダを実行する
合致しない場合には次のSubShaderを実行する
この機能により、ハードウェア依存や、LODによるシェーダの変更等を制御できる

Pragma

     CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
       #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
       #pragma target 3.0

CGPROGRAM～ENDCG　までの間が実際にシェーダにコンパイルされる部分である

pragmaは色々な拡張機能であるが

        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows
       #pragma target 3.0

SurfaceShaderで記述する。　シェーダーのエントリーポイントは surf関数である
ライティングモデルはStandardにする（Lambert、BlinnPhong、StandardSpecularも設定可能)
fullforwardshadows 影はフォワードパスですべて表示する

シェーダーモデル 3.0以上必要

変数

     sampler2D _MainTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        half _Glossiness;
        half _Metallic;
        fixed4 _Color;


        UNITY_INSTANCING_CBUFFER_START(Props)
            // put more per-instance properties here
        UNITY_INSTANCING_CBUFFER_END

Editorから渡された値を、シェーダ変数（Uniform）へ格納している

また Inputという構造体を宣言している
これは頂点シェーダへの頂点毎の入力値(attribute)である

UNITY_INSTANCING_CBUFFER_START
は、CBufferを渡したいときは設定するようです 今回は不要

関数本体

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
            // Albedo comes from a texture tinted by color
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            // Metallic and smoothness come from slider variables
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }

いよいよ本体

INには頂点シェーダに渡ってくる attributeで、今回はUV
inout のSurfaceOutputStandardは 組み込み構造体で中身は下記

struct SurfaceOutputStandard
{
    fixed3 Albedo;      // base (diffuse or specular) color
    fixed3 Normal;      // tangent space normal, if written
    half3 Emission;
    half Metallic;      // 0=non-metal, 1=metal
    half Smoothness;    // 0=rough, 1=smooth
    half Occlusion;     // occlusion (default 1)
    fixed Alpha;        // alpha for transparencies
};

まず　テクスチャマップで UV座標のテクスチャカラーを取得し _Colorを乗算し oのAlbedoに設定
その他パラメータを oに設定する

これだけで、サーフェースシェーダでは pragmaで設定したライトモデル（今回はStandard）に 構造体oの値を自動で渡し終了となる
少し簡単になる

Fallback

 FallBack "Diffuse"

SubShaderがどれも条件が満たさなかったら Diffuse(ビルトインシェーダ) を実行する