游戲開發Unity/ ShaderLab學習路徑

掌握 ShaderLab 需要循序漸進地學習，結合理論、實踐和工具。以下是一個推薦的學習路徑，幫助你從零基礎逐步進階：

階段一：基礎準備 (理解核心概念與環境)

必備知識：
- 編程基礎： 至少熟悉一種編程語言（C# 或 C++ 最佳），理解變量、函數、控制流等概念。Shader 編程邏輯性很強。
- 數學基礎 (尤其重要)：
  - 向量和矩陣運算： 點積、叉積、矩陣乘法、變換（平移、旋轉、縮放）。這是理解頂點變換、光照計算的基礎。
  - 基礎三角函數： sin, cos, tan 等常用于波形、旋轉、周期性動畫。
  - 坐標系： 模型空間、世界空間、觀察空間、裁剪空間、屏幕空間。理解頂點如何在不同空間轉換。
  - 基礎線性代數： 理解向量空間、線性變換。
- 圖形學基礎概念：
  - 渲染管線： 理解 CPU 提交數據 -> 頂點著色器 -> 光柵化 -> 片元著色器 -> 輸出到屏幕的流程。明確 Vertex Shader 和 Fragment Shader 的職責。
  - 光照模型： 環境光、漫反射 (Lambert)、高光反射 (Phong, Blinn-Phong)。理解光線如何與表面交互。
  - 紋理映射： UV 坐標、采樣、紋理過濾（點采樣、雙線性、三線性）。
  - 混合： Alpha 混合 (Blend) 原理。
Unity 基礎：
- 熟悉 Unity 編輯器界面和基本操作。
- 了解材質 (Material) 的概念及其與著色器 (Shader) 的關系。
- 知道如何創建材質球并為其分配著色器。

階段二：入門 ShaderLab (語法與固定函數著色器)

ShaderLab 結構：
- 學習 .shader 文件的基本結構：
  - Shader "Path/Name"：定義著色器在材質下拉菜單中的路徑和名稱。
  - Properties 塊：定義在材質檢視面板中暴露的可調參數（顏色、浮點數、紋理、向量等）。
  - SubShader 塊：針對不同渲染路徑或硬件級別的實現。
  - Pass 塊：一次完整的渲染過程（頂點處理 + 片元處理）。
  - CGPROGRAM / ENDCG：包裹 CG/HLSL 代碼塊（可編程著色器）。
  - Tags：設置渲染順序 ("Queue")、渲染類型 ("RenderType")、是否投射陰影 ("ForceNoShadowCasting") 等。
  - LOD：細節級別。
- 理解 Properties 如何與 CG/HLSL 代碼中的變量關聯。
固定函數著色器 (Fixed-Function Shader):
- 目標： 理解早期著色方式，學習 ShaderLab 語法，制作簡單效果。
- 內容：
  - 使用 SetTexture 命令進行簡單的紋理采樣和混合。
  - 使用 Lighting On / Material 塊實現簡單的逐頂點光照（漫反射、環境光）。
  - 學習 Color, ColorMaterial 等命令。
- 實踐： 編寫一個只顯示紋理的著色器；編寫一個帶簡單頂點光照的紋理著色器。

階段三：核心 - CG/HLSL 與可編程著色器 (Vertex & Fragment Shader)

CG/HLSL 語言基礎：
- 語法：變量聲明、數據類型 (float, half, fixed, float2/3/4, sampler2D)、結構體、函數。
- 語義 (Semantics)： POSITION, NORMAL, TEXCOORD0, SV_POSITION, COLOR 等。理解輸入輸出數據流。
- 常用內置函數： mul (矩陣乘法), dot (點積), cross (叉積), normalize, lerp (線性插值), tex2D (紋理采樣), saturate (鉗制到 [0,1]) 等。
頂點著色器 (Vertex Shader):
- 職責： 將模型頂點從模型空間變換到裁剪空間（通過 MVP 矩陣）。
- 計算并傳遞數據給片元著色器（如：世界空間位置、法線、UV、頂點顏色等）。
- 實現簡單的頂點動畫（如：波浪、旋轉）。
片元著色器 (Fragment Shader / Pixel Shader):
- 職責： 計算每個像素（更準確說是片元）的最終顏色。
- 核心內容：
  - 紋理采樣與應用。
  - 光照計算： 實現自定義光照模型（Lambert, Phong, Blinn-Phong, 半蘭伯特）。
  - 理解 _WorldSpaceLightPos0, _LightColor0, UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 等內置光照變量。
  - 法線貼圖 (Normal Mapping)：使用切線空間法線擾動表面法線，增加細節。
  - 透明與混合 (Blend 命令)。
  - 簡單的屏幕后處理效果基礎（需要結合 OnRenderImage）。
實踐項目 (關鍵！)：
- 無光照純色/紋理著色器。
- 自定義漫反射光照著色器（逐頂點/逐像素）。
- 自定義高光（Phong/Blinn-Phong）著色器。
- 紋理 + 法線貼圖著色器。
- 透明著色器（Alpha Blend）。
- 溶解效果 (利用 clip 函數)。
- 簡單的頂點動畫（如旗幟飄動）。
- 邊緣光 (Rim Light) 效果。

階段四：進階技術與優化

表面著色器 (Surface Shader)：
- 理解： Unity 對光照模型的一種高級封裝。它幫你處理了光照pass、陰影pass、前向/延遲渲染兼容性等復雜問題，你只需關注表面的屬性（反照率、法線、自發光、高光、光滑度、金屬度等）和光照函數。
- 學習： SurfaceOutput 結構體， surf 函數，自定義光照函數 LightingXxxx。
- 適用場景： 需要標準光照（特別是 PBR）且不想手動處理所有pass的情況。非常常用。
- 實踐： 實現自定義光照模型的表面著色器（如 Toon 卡通著色）。
渲染路徑 (Rendering Path)：
- 理解前向渲染 (Forward Rendering) 和延遲渲染 (Deferred Rendering) 的區別、優缺點及適用場景。
- 學習如何在 Shader 中處理多光源（前向渲染中的 ForwardAdd pass）。
- 了解 LightMode Tag ("ForwardBase", "ForwardAdd", "Deferred")。
陰影：
- 理解陰影投射 (ShadowCaster pass) 和陰影接收的原理。
- 學習如何讓自定義著色器投射和接收陰影（通常需要定義 ShadowCaster pass 或使用 fallback）。
- 了解 SHADOW_COORDS, TRANSFER_SHADOW, SHADOW_ATTENUATION 宏（用于接收陰影）。
屏幕空間效果：
- 使用 GrabPass 抓取屏幕內容。
- 實現簡單的扭曲、全屏模糊、簡單顏色校正等效果。
光照貼圖與全局光照 (GI)：
- 學習 LIGHTMAP_ON 宏和 DECLARE_LIGHTMAP_COORDS / TRANSFER_LIGHTMAP 等宏。
- 讓著色器支持烘焙光照貼圖和實時/烘焙混合光照。
Shader Graph (可視化工具)：
- 目標： 快速搭建效果原型，理解節點化流程，降低復雜 HLSL 代碼編寫負擔。
- 學習： 節點操作、常用節點（數學、紋理、UV、向量、光照節點等）、自定義函數節點、子圖 (Sub Graph)。
- 實踐： 用 Shader Graph 復現之前用代碼寫的效果（如溶解、邊緣光、簡單 PBR）。
優化技巧：
- 精度： 合理使用 float (高精度，32位), half (中精度，16位), fixed (低精度，11位) 優化性能和帶寬。
- 計算量： 避免復雜計算在片元著色器中進行（尤其移動平臺），盡量移到頂點著色器或預計算。使用查找紋理 (Lookup Texture)。
- 分支： GPU 不擅長分支預測，盡量避免片元著色器中的復雜分支 (if/else)。
- 紋理采樣： 減少采樣次數，使用紋理圖集 (Texture Atlas)。
- Shader Variants： 理解 #pragma multi_compile 和 #pragma shader_feature 產生的變體，避免不必要的變體導致包體膨脹。

階段五：深入與探索

高級光照模型：
- 基于物理的渲染 (PBR)： 學習金屬度/粗糙度工作流或鏡面反射/光澤度工作流。理解 Standard / Standard (Specular setup) 表面著色器背后的原理。
- 次表面散射 (SSS)。
- 各向異性高光。
- 毛發渲染 (Kajiya-Kay)。
高級效果：
- 視差貼圖 (Parallax Mapping)。
- 屏幕空間反射 (SSR)。
- 程序化紋理/噪聲生成 (Perlin, Simplex)。
- 體積效果（光線步進 Ray Marching）。
- 卡通渲染 (Cel Shading / NPR)。
- 水體效果。
- 地形混合著色器。
Compute Shader：
- 利用 GPU 進行通用計算，處理大量并行數據（物理模擬、粒子系統、圖像處理等）。
Shader Debugging：
- 熟練使用 Frame Debugger。
- 利用 return float4(someValue, 1); 在片元著色器中輸出中間值進行調試。
- 使用 RenderDoc 等外部工具進行深度分析。

學習資源推薦

官方文檔 (必讀！)：
- 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)：閱讀源碼是學習內置函數和宏的最佳方式。通常位于 [Unity安裝路徑]/Data/CGIncludes。
經典書籍/教程：
- 《Unity Shader入門精要》（馮樂樂著） - 中文經典，系統全面。
- 《Unity 2018 Shaders and Effects Cookbook》 - 英文，案例驅動。
- Catlike Coding - Rendering Tutorials (https://catlikecoding.com/unity/tutorials/rendering/) - 非常深入、系統的英文教程。
- Ben Cloward’s Shader Development YouTube Channel (https://www.youtube.com/@BenCloward) - 大量實用視頻教程。
社區：
- Unity Forums (Graphics 板塊)：https://forum.unity.com/forums/graphics.75/
- ShaderToy (https://www.shadertoy.com/) - 學習 GLSL 和前沿效果的寶庫（注意語法差異，但思路相通）。
- GitHub：搜索開源項目學習他人代碼。
工具：
- Visual Studio / VS Code (with ShaderlabVSCode / Shader Languages Support 插件)： 提供語法高亮、自動補全。
- Shader Graph： Unity 內置可視化著色器編輯器。
- Amplify Shader Editor： 強大的第三方可視化著色器編輯器。
- RenderDoc： 強大的圖形調試器。
- Frame Debugger (Unity 內置)： 逐幀分析渲染過程。