【渲染流水线】[光栅阶段]-[片元着色]以UnityURP为例

• 在Unity URP渲染管线中，光栅化阶段的片元着色器(Fragment Shader)是决定像素最终颜色的核心环节。
  

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

核心功能‌：

• 纹理采样：通过UV坐标从贴图获取颜色数据
  
• 光照计算：结合材质属性和光源信息计算逐像素光照
  
• 特效处理：实现透明度混合、边缘检测等后处理效果
  

‌可配置‌：

• 重写片元函数（#pragma fragment frag）。语义、纹理用途、
  

语义体系

输入结构体(v2f)语义

• SV_POSITION：裁剪空间顶点位置（必需），由顶点着色器输出
  
• TEXCOORD0-7：通用插值寄存器，存储UV坐标/自定义数据（如法线、视向量）
  
• COLOR0-1：顶点颜色通道，常用于渐变效果或数据传递
  
• NORMAL：世界空间法线向量（需手动计算后传递）
  

输出语义

• SV_Target：写入渲染目标（默认颜色缓冲）
  
• SV_Depth：自定义深度值输出（需显式启用）
  

TEXCOORD0-7和COLOR0-1语义的常用数据存储内容

‌语义‌‌常用存储数据‌‌典型应用场景‌TEXCOORD0主纹理UV坐标采样漫反射贴图（_MainTex）TEXCOORD1次要纹理UV坐标光照贴图、细节纹理叠加TEXCOORD2世界空间法线向量法线贴图计算、光照模型处理TEXCOORD3世界空间切线向量切线空间转换、法线映射TEXCOORD4世界空间视线方向高光反射计算、视差效果TEXCOORD5世界空间顶点位置动态雾效、距离衰减计算TEXCOORD6-7自定义数据或额外UV集顶点动画参数、流动贴图、多纹理混合COLOR0顶点颜色主通道顶点着色效果、渐变色处理（如植被/地形）COLOR1顶点颜色辅助通道特殊效果遮罩、动态参数传递（如溶解阈值）关键说明：

• ‌数据复用性‌
  TEXCOORD语义本质上是通用插值寄存器，实际用途根据Shader需求动态分配4。例如简单着色器可能仅用TEXCOORD0，而复杂PBR材质会占用更多通道。
  
• ‌优化建议‌
  URP推荐将关联数据打包到同一寄存器（如法线/切线共用TEXCOORD2-3），减少插值计算开销。
  
• ‌通道限制‌
  移动端平台最多支持8个TEXCOORD和2个COLOR通道，超限需通过数据压缩或纹理烘焙解决
  

内容映射表

核心纹理变量

纹理变量名来源类/脚本用途说明_MainTexMaterial属性面板基础颜色/Albedo贴图（通过[MainTexture]特性标记）_BaseMapURP Shader内置变量替代_MainTex的标准化命名（URP 7.0+版本推荐使用）_NormalMapStandard Shader/自定义Shader切线空间法线贴图（需配合BUMP关键字启用）_MetallicGlossMapPBR材质系统金属度(R)和光滑度(A)通道存储_EmissionMapMaterial发光属性自发光纹理（需启用_EMISSION关键字）‌特殊功能纹理‌

纹理变量名来源类/脚本用途说明_OcclusionMap光照探针系统环境光遮蔽贴图（通常存储在G通道）_DetailAlbedoMap细节层材质表面微结构纹理（通过_DETAIL宏控制）_ParallaxMap高度图效果视差偏移贴图（需启用_PARALLAXMAP）_SpecGlossMap旧版高光工作流高光颜色(RGB)和光滑度(A)替代金属度贴图‌渲染管线专用纹理‌

纹理变量名来源类/脚本用途说明_CameraColorTextureURP RendererFeature相机颜色缓冲（后处理输入）_CameraDepthTextureURP DepthTexture模式场景深度图（需在URP Asset中启用）_ScreenSpaceOcclusionSSAO效果屏幕空间环境遮蔽图（通过SSAO Renderer Feature生成）‌脚本动态引用示例‌

1. hlsl
2. // C#脚本中通过Material类设置纹理
3. material.SetTexture("_MainTex", Resources.Load<Texture2D>("Albedo"));

复制代码

• 该代码通过Material.SetTexture方法动态绑定纹理
  
• 纹理变量命名遵循URP核心库规范（Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Common.hlsl），其中WS后缀表示世界空间坐标，RWS为相机相对坐标。移动端需注意通过SAMPLER宏声明采样器以兼容GLES2.0平台
  

纹理数组高级应用

1. Texture2DArray _TextureArray;  // 声明纹理数组
2. float _LayerIndex;             // 动态切换纹理层  
3. fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
4.      return tex2DArray(_TextureArray, float3(i.uv, _LayerIndex));
5. }

复制代码

该技术适用于地形系统（不同区块材质切换）或角色换装系统
片元着色器中的导数信息

每次片元着色器处理片元时都独立处理单个片元，因此片元在处理时无法得到临近片元信息。
实际GPU在运行时并不是只运行一个片元着色器，而是将其2x2的一组片元块，同时运行4个片元着色器。 通过ddx和ddy（URP中可通过ddx/ddy函数获取屏幕空间导数）两个偏导函数求得临近片元的差值。（偏导函数时纹理mipmaps实现的基础）

‌作用‌：

• 边缘检测：通过颜色/深度突变识别物体轮廓
  
• Mipmap层级选择：动态调整纹理采样精度
  
• 屏幕空间特效：如SSAO、运动模糊等
  

URP中基于导数的边缘检测示例

• 使用HLSL标准导数函数ddx/ddy
  
• 通过颜色梯度检测边缘
  
• 可调节阈值控制边缘灵敏度
  
• 兼容URP渲染管线
  
• EdgeDetection.shader
  1. Shader "Custom/EdgeDetection" {
  2.     Properties {
  3.         _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
  4.         _EdgeColor ("Edge Color", Color) = (1,0,0,1)
  5.         _Threshold ("Threshold", Range(0,1)) = 0.1
  6.     }
  7.     SubShader {
  8.         Pass {
  9.             HLSLPROGRAM
  10.             #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
  11.             
  12.             TEXTURE2D(_MainTex);
  13.             SAMPLER(sampler_MainTex);
  14.             float4 _EdgeColor;
  15.             float _Threshold;
  17.             struct v2f {
  18.                 float4 pos : SV_POSITION;
  19.                 float2 uv : TEXCOORD0;
  20.             };
  22.             v2f vert(Attributes v) {
  23.                 v2f o;
  24.                 o.pos = TransformObjectToHClip(v.positionOS);
  25.                 o.uv = v.uv;
  26.                 return o;
  27.             }
  29.             half4 frag(v2f i) : SV_Target {
  30.                 half3 col = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, i.uv).rgb;
  31.                
  32.                 // 计算屏幕空间导数
  33.                 half3 dx = ddx(col);
  34.                 half3 dy = ddy(col);
  35.                 float edge = sqrt(dot(dx,dx) + dot(dy,dy));
  36.                
  37.                 // 边缘检测
  38.                 edge = step(_Threshold, edge);
  39.                 return lerp(float4(col,1), _EdgeColor, edge);
  40.             }
  41.             ENDHLSL
  42.         }
  43.     }
  44. }

  复制代码

在延迟渲染中，片元着色器会利用G缓冲中的深度/法线信息进行更精确的光照计算，而前向渲染则直接在每个Pass中处理光照（内置管线每个pass处理灯光，URP中将所有灯光汇聚在一个Pass中处理）。URP通过优化后的着色器变体减少重复计算，提升多光源场景性能。

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

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