Unity Shader

[ Unity Shader ]

• • 참고 사이트

  • http://www.slideshare.net/MrDustinLee/unity-shader-system-korean-note

• [ Unity Shader Structure ]

  • • GPU를 다루기 위해 Unity에서는 별도의 쉐이더랩(ShaderLab)이라는 추상 스크립트 언어를 사용하여, 멀티플랫폼 쉐이더를 만들 수 있도록 설계되어 있음

    • Shader Script(Shader Lab)

      • 멀티 플랫폼 시스템을 위한 추상화된 스크립트 언어 레이어

        • 지원 Device

          • Old moblie hardwares(DX 7/8)

          • modren mobile hardware(DX9, Shader Model 2)

          • PC / Consol hardware(Shader Mode 3)

          • Extreme PC hardware(DX11, Shader Model 5)

        • 지원 Library

          • OpendGL, OpenGL E/S, DirectX

        • 지원 Language

          • GLSL, Cg, HLSL

    • 특징

      • 60개 이상의 기본 쉐이더를 제공하고 있으며, 계속 추가중

      • 사이트에서 기본 쉐이더 소스를 다운 받을 수 있음

• • [ Unity Shader Programming (세가지 방식 지원) ]

    • Fixed Function Program(고정 함수 프로그램)

      • Vertex Lit 랜더링 방식에 적합 (Shader Model 1.x로 가정 : 고급 랜더링 불가)

      • 그러나, "SetTexture"를 통해 간단한 다양한 효과 구현이 가능

      • 모바일 퀄리티에만 문제가 없다면 가장 좋은 성능을 발휘함

    • Vertex / Fragment Program(버텍스 프래그먼트 프로그램)

      • 가장 일반적인 쉐이더 프로그래밍

      • Pass 구문에 쉐이더 코드를 넣을 수 있게 설계되어 있음

      • 명확히 어떤 언어를 사용할 것인지 알려 주어야 함(CGPROGRAM/GLSLPROGRAM)

        • CG vs GLSL

          • Unity는 두가지 언어를 다 지원하지만, 멀티플랫폼 환경에서의 쉐이더를 위해서는 Cg를 사용해야 함

      • CG/HLSL to GLSL Shader Parser

        • Cg/HLSL Code Snippet >> HLSL Shader Code >> Full HLSL Code >> Converted GLSL Code >> Optimized GLSL Shader Code >> Final GLSL Shader Code

      • 문제점

        • 멀티플랫폼 쉐이더 코드를 작성하기 위해서는 다양한 light에 대한 세팅 값을 예상해서 넣어야 함

        • 일반적인(범용적인) 쉐이더를 만드는데도 132줄이나 사용됨

    • Surface Shader Program(서피스 쉐이더 프로그램)

      • 위의 문제점을 해결하기 위해 유니티에서 고안한 방식 (위의 132줄이 12줄로 줄일 수 있음)

      • 프로그램 코드 측면에서는 Vertex Fragment Program과 유사해 보이나 동작 방식을 다름

      • 픽셀에서 면의 다양한 정보를 수집하는 서피스 함수와 빛을 계산하는 라이팅 함수를 분리해 디퍼드라이팅에도 활용될 수 있도록 설계됨

      • SSE 셰이더( Strumpy Shader Editor)를 통해 제작된 결과는 자동으로 서피스 프로그램으로 변환됨

      • Surface Shader Program을 Unity는 Vertex / Fragment Program으로 자동 변환 시킴

      • Surface Shader Program 구조

        • Shader Programimg = Surface Cdoe + Light Code

        • #pragma surface surf LightModel [optionalparams] (sur / Lamber는 함수 이름)

          • surf : 표면을 처리하는 함수 이름

            • void surf(Input IN, inout SurfaceOutput OUT)와 같은 프로토타입 함수로 선언해야 함

          • LightModel : 빛을 처리하는 함수 이름

            • Lambert(diffuse)

            • BlinnPhong(specular)

          • optinalparams

            • alpha - 알파 블랜딩 모드로 작동

            • alphatest:varialbeName - 알파 테스트 모드로 Cutoff값을 외부에서 지정할 수 있음 / 알파를 어느 정도 레벨까지 지정할지를 지정하는 값

            • vertex:vertexFunction - 정점을 변경하기 위한 함수를 지정 / 정점을 동적으로 변경할 수 있음

            • exclude_path:prepass or exclude_path:forward - 랜더링 패스를 생성하지 않도록 함

            • addshadow - caster & collector를 쉐도우에 추가

            • 등 등

      • Surface Shader Program 1st Step

        • 표면을 설정하는 방법은 유니티가 제공하는 SurfaceOutput라는 구조에 적절한 값을 넣어 주면 됨(아티스트들이 사용하는 ShaderFX 같은 노드 기반의 그래픽 쉐이더 프로그래밍 툴과 유사)

      • Surface Shader Program 2st Step

        • Lighting Model의 적용

          • Unity에서 제공하는 Blinn-Phong이나 Rambert 공식을 쓰고 싶다면 단순히 이름만 적어주면 됨

          • 직접 Light Model을 만들고 싶다면 Lighting으로 시작하는 함수를 만들고 입력값과 출력값을 맞추어 주면 됨

    • 위의 세가지 방식의 어떤 타입을 선택해도 다음과 같은 ShaderLab의 구조를 가지고 있어야 함

    • #pragma debug

      • Surface Shader Program이 어떻게 Vertex/Fragment Program으로 변화하는지 볼 수 있다고 함(?)

    • Shader Keywords

      • 이미 정의된 키워드

        • DIRECTIONAL, POINT, SPOT

        • LIGHTMAP_(ON/OFF), DIRLIGHTMAP_(ON/OFF), VERTLIGHT_(ON/OFF)

        • SHADOW_(ON/OFF), POINT_COOKIE, DIRECTIONAL_COOKIE ...

    • #pragma를 이용해서 사용자 정의 키워드를 만들 수도 있음

  • [ ShaderLab Syntax ]

    • [ 개요 ]

      • 플랫폼과 무관하게 설계된 셰이더랩은 한단계 높은 추상화된 셰이더 시스템으로 셰이더를 관리하며, 빌드 과정을 통해 플랫폼에서 동작하는 셰이더 코드를 자동을 생성

      • 스크립트처럼 간단한 문법으로 구성된 텍스트 파일

      • 전문가를 위해서는 셰이더 언어인 Cg와 GLSL 구문을 중간에 직접 사용해 복잡한 기능의 셰이더도 제작할 수 있도록 설계되어 있음

      • < 유니티 통합 셰이더 시스템 그림 넣을 것 >

        • 셰이더 랩(Cg 구문)

          • HLSL(윈도우)

          • GLSL(Mac)

          • GLSL/ES(아이폰/안드로이드)

          • HLSL(XBox360)

          • Cg(Playstation3)

    • Shader "MyShader" { Properties { _MyTexture ("My Texture", 2D) = "white" { } // other properties like colors or vectors go here as well } SubShader { // here goes the 'meat' of your // - surface shader or // - vertex and fragment shader or // - fixed function shader

    • } SubShader { // here goes a simpler version of the SubShader above that can run on older graphics cards } Fallback "Diffuse" }

    • Shader(키워드) : 쉐이드 이름을 결정

      • '/'를 사용하여 이름을 구분하고 쉐이더를 설정할 때 다단계로 표시됨

      • Properties(키워드) : 쉐이더의 속성들을 Unity 내부의 재료 Inspector에서 보여줌

        • Unity에서 쉐이더에 전달할 다양한 값을 사용자가 편리하게 설정할 수 있도록 하는 다양한 인터페이스를 제공

        • 아티스트들을 위한 다양한 파라미터 리스트를 결정

          • Float Textbox / Float Rang Sliders / Vector4 Textboxes / Color Picker / 2D Texture( POT ) / 2D Texture( NPOT ) / Cube Texture

      • SubShader(키워드)

        • 복수개의 SubShader를 제공

        • 랜더링을 담당하는 우리가 일반적으로 생각하는 쉐이더

        • 가장 위에 정의된 쉐이더 부터 실행되며, 위에 있는 서브쉐이더가 하드웨어와의 호환 문제가 발생하면 다음 쉐이더가 실행됨

        • 다양한 하드웨어와 호환될 수 있도록 하기 위해 다수의 SubShader를 구성해서 사용

    • FallBack

      • • 모든 서브쉐이더의 구동이 실패하면, 풀백(Fallback)에 정의된 쉐이더가 실행됨

    • SubShader

      • 태그(Tag)

        • • Tag에 사용되는 키워드

            • Queue : 셰이더의 렌더링 순서를 지정

            • IgnoreProjector : 셰이더가 프로젝터의 영향을 받는지 유무 결정

            • RenderType : 셰이더의 종류를 분류하기 위해 사용 / 특정 카메라에 지정한 셰이더 종류만 보이게 하는 셰이더 리플레이스먼트(Shader Replacement) 기능을 사용할 수 있게 됨

          • Queue

            • 유니티는 0 ~5000까지 랜더링 순서를 지정 구성할 수 있으며, 숫자 대신에 이름을 기반으로 지정함

              • Backgroud = 1000 : 스카이 박스 같이 가장 먼저 랜더링 되는 것들

              • Geometry = 2000 : 불투명한 Geometry들 / 기본 값

              • AlphaTest = 2450 : AlpaTest가 필요한 Geometry 들 / 유리나 파티클 등

              • Transparent = 3000 : Geometry와 AlpaTest 이후에 순서적으로 알파 블랜딩이 필요한 것들

              • Overlay = 4000 : 마지막에 적용되어야 하는 overlay 들 / 렌즈플레어 효과나 GUI 등

            • 위의 지정된 값에 '+', '-'를 지정해서 순서를 디테일하게 결정

            • 예> Tags { "Queue" = "Geometry+1" }

              • 2001 번째 순서로 수행

              • 깊이 정보와 상관없이 2000번을 가지는 모든 불투명한 물체를 랜더링한 이후에 덮어서 랜더링 함

      • 패스(Pass)

        • 랜더링 방법을 지정

          • 패스의 동작 순서 [ Unity Shading Pipeline ]

            • 1. 기본 데이터 설정 (Transform/ TexGen/Lighting & Vertex Shader )

              • 렌더링을 위한 기본 데이터를 준비

              • 메쉬의 정점을 변경하고 싶은 경우, 정점 셰이더 프로그램이 이 단계에서 실행됨

            • 각 버텍스당 주어진 정보를 이용한 Vertex Shading 단계

              • Pixel Shading(Fragment Shader) 단계에서 pixel 당 light를 사용하는 경우에는 Vertex light가 필요하지 않을 수 있음

            • 2. 깊이 판별 (Culling Depth Test)

              • Culling

              • View에 보이지 않는 부분을 제거하는 단계 (Backface Culling)

              • Depth

                • Z 버퍼에 깊이 정보를 저장하고 물체가 그려져야 하는지를 판단

            • 3. 픽셀 설정 (Texturing / Fog & Fragment Shader )

              • 픽셀 셰이더를 통해 면을 구성하는 픽셀들의 색상 정보를 계산

              • 픽셀 셰이더 프로그램이 여기서 실행

              • Texturing : vertex light 처리 이후에 SetTexture에 의해서 Texture를 입히는 단계 ( fragment program을 사용할 경우 shader에서 처리 되므로 의미가 없음)

              • Fog : Fog를 위한 처리 단계

            • 4. 알파 테스팅

              • 지정한 값과 알파값을 비교하여 각 픽셀을 보존할지 제거할지를 결정

            • 5. 알파 블렌딩

              • 반투명 물체의 경우 뒤의 물체와 혼합해 최종 픽셀로 표현

          • 패스 태그(Pass Tag)

            • 랜더링 설정을 지정

          • 랜더 스테이트(Render State)

            • GPU의 랜더 상태를 설정하는 다양한 키워드

              • Culling / Depth Test / Alpha Test / Blending

          • 쉐이더 코드(Shader Code)

            • 실제 쉐이더 코드의 조각

        • SubSahder에 대한 자세한 reference

        • http://docs.unity3d.com/Documentation/Components/SL-SubshaderTags.html

  • [ Unity Rendering Pipeline ]

    • Pass 구문을 통해 물체의 랜더링이 수행

    • 랜더링 패스(Path)

      • 랜더링은 카메라에서 지정한 랜더링 방법을 통해 수행되며, 이런 랜더링 방법을 유니티에서 랜더링 패스라고 함

    • Unity에서 현재 제공하는 3가지 Rendering 방식

      • Vertex Lit

      • Forward

      • Deferred Lighting

    • [Vertex Lit]

      • 오래된 하드웨어 방식에서 동작되도록 설계됨(주로 예전 스마트 폰 / 아이폰 3G 세대용)

        • Vertex별로 라이팅을 계산하고 이를 보간하여 최종 픽셀 값을 산출하는 방식

        • 장점 : 랜더링 방식이 간단하여 CPU에 별도의 작업이 들지 않기 때문에 저사양의 모바일에서의 라이트 매핑에 효과적임

        • 단점 : 유니티가 제공하는 실시간 랜더링 기능(노멀 매핑 및 복수개의 빛 처리, 쿠키<Cookie>, 라이트프로브<LightProbe>, 그림자<Shadow> 등 pixel 단위의 Effect)을 상당수 지원하지 않음

          • 조명을 설치하고 (VertexLit의 Shader가 적용된)평면 위에 물체를 올려 놓고 그림자가 생성되는지를 확인해 보면 됨

        • Vertex Lit의 3가지 옵션

          • Vertex Pass

            • 라이트맵이 적용되지 않는 물체에 버텍스를 기반으로 랜더링

          • VertexLM Pass

            • 라이트맵을 Double LDR 포맷으로 근사하여 인코딩하는 방식의 랜더링 (오래된 스마트폰용)

          • VertexLMGBM pass

            • 라이트맵을 RGBM으로 인코딩하여 사용하는 방식의 랜더링 (최신 스마트폰용)

          • Unity가 자동으로 해주기 때문에 신경을 쓸 필요는 없음

    • [Forward Pipeline]

      • 픽셀당 라이팅을 계산하해 화면의 최종 값을 결정하는 방식

      • DirectX9에 대응하는 가장 일반적인 랜더링 방식

      • 유니티에서 제공하는 대부분의 랜더링 기능을 사용할 수 있음

        • 노멀 매핑 및 복수개의 빛 처리, 쿠키<Cookie>, 라이트프로브<LightProbe>, 그림자<Shadow> 등

      • 그러나 빛과 물체의 수 만큼 계산량이 많아짐

        • 단지 Directional Light에 대한 그림자 지원(독립적인 라이트에 대한 랜더링이 가능하여 다른 빛에 의한 그림자도 지원할 수는 있음)

      • Light Setting in Forward Pipeline

        • 포워드 방식에서 가장 중요한 점은 Important / Not Important Light를 구분해서 세팅하는 것

          • Important Ligth의 경우에는 빛을 공들여서 랜더링하지만, Not Improtant Light의 경우에는 대출 랜더링 함

        • Important Light

          • 가장 Intensity가 높은 Directional Light

          • 4개 까지 설정이 가능

          • 픽셀당 계산함

        • Not Important Light

          • Important Light를 제외한 빛으로 SH(Spherical Hamonics)로 래더일을 수행

        • Forwad Pipelint Pass

          • 2 pass에 의해서 구현됨

          • ForwordBase

            • Most Important Light / Not Important Light를 묶어서 처리

            • 1 pass (1 Draw call)

          • ForwordAdd

            • Important Lights들을 처리

            • Important Lights의 수에 따라 각 1 pass( 수 Draw call)

    • [Deferred Lighting Pipeline]

      • Morden 한 랜더링 지원

      • 물체의 빛에 관련된 여러 정보를 모아 버퍼에 저장하고, 빛의 계산은 나중에 한 번에 수행하는 렌더링 기법

      • 장점

        • Light의 제한이 없음

        • 복잡한 Scene 구현에 적합

      • 단점

        • 모바일에서는 아직 지원 안함

        • 블린퐁(Blinn-Phong)에서만 지원

        • 반 투명한 물체에 대한 지원을 하고 있지는 않음

      • Deferred Lighting Pipeline Pass

        • Unity에서는 3번의 랜더링 pass를 거침

        • PrePassBase(1단계) : 카메라에 비춰지는 Scene의 Geometry 정보를 수집하여 G버퍼에 저장

        • PrePassLighting(2단계) : G버퍼를 활용하여 Scene에 배치된 라이팅별로 계산

        • PrePassFinal(3단계) : 라이트맵을 적용하여 다양한 빛의 효과를 냄