Cấu trúc một shader URP: ShaderLab, Pass và HLSLPROGRAM

Một file .shader trong Unity gồm hai lớp. Lớp ngoài là ShaderLab, ngôn ngữ riêng của Unity để khai báo thuộc tính và trạng thái vẽ. Lớp trong là HLSL, nơi chứa code thật sự chạy trên GPU. Trang này đi qua từng khối của shader một màu ở trang trước.

Bức tranh tổng thể

Người mới hay đọc file shader từ trên xuống như đọc C# và bị rối vì các khối lồng nhau. Hãy nhìn nó như hộp lồng hộp:

Shader "Docs/SolidColor"          // tên shader
{
    Properties { ... }             // ô chỉnh trong Inspector
    SubShader                      // một phiên bản cho một pipeline
    {
        Tags { ... }               // thông tin cho URP
        Pass                       // một lần vẽ
        {
            HLSLPROGRAM            // từ đây là code HLSL
            ...
            ENDHLSL
        }
    }
}

Properties: ô chỉnh trong Inspector

Properties
{
    [MainColor] _BaseColor ("Base Color", Color) = (1, 0.3, 0.3, 1)
}

Mỗi dòng có dạng _TenBien ("Tên hiện ra", Kiểu) = giá trị mặc định. [MainColor] đánh dấu đây là màu chính, để code C# gọi material.color là trúng biến này. Khối Properties chỉ tạo ô trong Inspector, bản thân nó không đưa giá trị vào HLSL. Phần đó nằm ở CBUFFER, xem trang Properties.

SubShader và Tags

Một shader có thể có nhiều SubShader, mỗi cái nhắm tới một pipeline hoặc một loại máy. Unity chọn SubShader đầu tiên chạy được.

Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }

• "RenderPipeline"="UniversalPipeline" nói SubShader này dành cho URP.
• "RenderType"="Opaque" nói vật thể đặc, không trong suốt. Trang Trong suốt sẽ đổi giá trị này.

Pass: một lần vẽ

Mỗi Pass là một lần GPU vẽ vật thể. Shader cơ bản chỉ cần một Pass. Pass có thể có Name và Tags riêng, ví dụ Tags { "LightMode"="UniversalForward" } khi cần ánh sáng. Pass không ghi LightMode vẫn được URP vẽ như một pass unlit.

HLSLPROGRAM và các dòng #pragma

HLSLPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

• #pragma vertex vert: hàm tên vert là vertex shader.
• #pragma fragment frag: hàm tên frag là fragment shader.
• #include ... Core.hlsl: nạp thư viện lõi của URP. Nhờ dòng này mới có TransformObjectToHClip, _Time, các macro CBUFFER_START, TEXTURE2D.

Lỗi hay gặp: gõ #pragma fragment frag nhưng đặt tên hàm là Frag. HLSL phân biệt hoa thường, Unity báo lỗi kiểu could not find entry point 'frag' hoặc tương tự. Tên trong #pragma phải khớp từng chữ với tên hàm.

Attributes: dữ liệu vào vertex shader

struct Attributes
{
    float4 positionOS : POSITION;
    float3 normalOS   : NORMAL;
    float2 uv         : TEXCOORD0;
};

Đây là dữ liệu Unity lấy từ mesh cho mỗi đỉnh. Phần sau dấu hai chấm gọi là semantic: nó nói với GPU lấy dữ liệu nào. POSITION là vị trí đỉnh, NORMAL là pháp tuyến, TEXCOORD0 là bộ UV đầu tiên. Tên biến bạn đặt tùy ý, semantic thì phải đúng.

Đuôi OS nghĩa là Object Space, tọa độ tính từ tâm vật thể. URP dùng quy ước này khắp nơi: WS là World Space, CS là Clip Space.

Varyings: dữ liệu từ vertex sang fragment

struct Varyings
{
    float4 positionCS : SV_POSITION;
    float2 uv         : TEXCOORD0;
};

Vertex shader điền struct này, GPU nội suy qua các điểm ảnh rồi đưa cho fragment shader. SV_POSITION là bắt buộc: đó là vị trí đỉnh trên màn hình. Các trường còn lại dùng TEXCOORD0, TEXCOORD1... làm semantic, kể cả khi chúng không phải UV.

Hai hàm vert và frag

Varyings vert(Attributes input)
{
    Varyings output;
    output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
    output.uv = input.uv;
    return output;
}

half4 frag(Varyings input) : SV_Target
{
    return half4(input.uv, 0, 1);
}

vert nhận Attributes, trả về Varyings. frag nhận Varyings, trả về màu. : SV_Target nói giá trị trả về là màu ghi ra màn hình. Đoạn trên tô vật thể theo UV: góc dưới trái đen, góc trên phải vàng.

Bài tập

Bạn muốn truyền màu đỉnh (vertex color) của mesh sang fragment shader để tô cây cỏ. Hãy viết lại hai struct, biết semantic của vertex color là COLOR.

struct Attributes
{
    float4 positionOS : POSITION;
    half4  color      : COLOR;
};

struct Varyings
{
    float4 positionCS : SV_POSITION;
    half4  color      : TEXCOORD0;
};

Varyings vert(Attributes input)
{
    Varyings output;
    output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
    output.color = input.color;
    return output;
}

half4 frag(Varyings input) : SV_Target
{
    return input.color;
}