Shader

描画に関して・C#スクリプトからshaderファイルをいじる方法・C#スクリプト内でMeshの作成から行う方法・HLSLやCG言語で書く方法・Shader Graphを使用する方法・HDRPやURPの機能を使う方法など色々あります。

使用したい目的や表現のShader記事を検索してヒットすれば、それを模倣すればいいと思いますが、ある程度shaderのスクリプトの意味を理解したい場合は、少し勉強してみましょう

C#スクリプト内でMeshを作成

参考0

公式Youtube シェーダを書けるプログラマになろう #1

上記に関するスライド等

参考1　外部サイト

そろそろShaderをやる
https://zenn.dev/kento_o

Unity ShaderGraph CookBook https://zenn.dev/r_ngtm/books/shadergraph-cookbook
https://zenn.dev/r_ngtm

【Unity】無料のオススメシェーダまとめ（110個） https://baba-s.hatenablog.com/entry/2018/10/29/090000

7日間でマスターするUnityシェーダ入門 https://nn-hokuson.hatenablog.com/entry/2018/02/15/140037

【Unity】シェーダに関するオススメ記事まとめ（120個） https://baba-s.hatenablog.com/entry/2018/03/02/090000

参考2

第1章 Unityではじめるプロシージャルモデリング
第2章 ComputeShader入門
第3章群のシミュレーションのGPU実装
第4章格子法による流体シミュレーション
第5章 SPH法による流体シミュレーション
第6章ジオメトリシェーダーで草を生やす
第7章雰囲気で始めるMarchingCubes入門
第8章 MCMCで行う3次元空間サンプリング
第9章 MultiPlanePerspectiveProjection

サンプル https://github.com/IndieVisualLab/UnityGraphicsProgramming?tab=readme-ov-file

Document https://github.com/IndieVisualLab/UnityGraphicsProgrammingSeries?tab=readme-ov-file

Unityでは基本VertexとFragmentをいじる

Unityでの描画計算の順番についてのスライドでもみた通り、 UnityのShaderでは、Vertex ShaderとFragment Shaderの2つを主に使用します。
この2つは、シェーダープログラムの主要な部分を構成し、それぞれ異なる役割を果たします。

UnityにおけるShader記述方法

Unityでは、シェーダーを記述する方法としてShaderLabという高レベルのスクリプト言語が使用されます。ShaderLabは、HLSL（High-Level Shading Language）コードを含むことができます。

サンプル

この例は、基本的なテクスチャマッピングシェーダーの流れを示しています。Vertex Shaderで頂点を処理し、Fragment Shaderでテクスチャから色をサンプリングして出力しています。

Shader "Custom/MyShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            sampler2D _MainTex;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
            };

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            float4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return texColor;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

Vertex Shader

役割: 頂点の位置や属性（法線、UV座標など）を処理します。
主な機能:
- モデル空間からビュー空間、そしてクリップ空間への頂点の変換。
- ライティング計算のための頂点ごとの法線変換。
- テクスチャ座標やその他の頂点属性の計算と伝達。

コード例:

// HLSL for Unity's vertex shader
struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
    float2 uv : TEXCOORD0;
};

struct v2f
{
    float2 uv : TEXCOORD0;
    float4 pos : SV_POSITION;
};

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = v.uv;
    return o;
}

Fragment Shader (Pixel Shader)

役割: 各ピクセルの色を計算します。
主な機能:
- テクスチャからの色のサンプリング。
- ライティング計算（ディフューズ、スペキュラ、陰影処理など）。
- その他のピクセルごとのエフェクト（例えば、ノーマルマッピング、パララックスマッピングなど）。

コード例:

// HLSL for Unity's fragment shader
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;

struct v2f
{
    float2 uv : TEXCOORD0;
    float4 pos : SV_POSITION;
};

float4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
    return texColor;
}

Pipelineの流れ

頂点データの入力:
- モデルの頂点データが頂点シェーダーに渡されます。
頂点シェーダーの処理:
- 各頂点の位置がクリップ空間に変換され、頂点属性が計算されます。
ラスタライゼーション:
- 変換された頂点からプリミティブ（トライアングル、ライン、ポイントなど）が生成され、ピクセルごとのデータに分割されます。
フラグメントシェーダーの処理:
- 各ピクセルの色が計算され、テクスチャやライティングが適用されます。
フレームバッファへの出力:
- 計算されたピクセルの色が最終的に画面に描画されます。

サンプルプログラムの詳細

下記シェーダーは、Shader構文を使って定義され、Custom/MyVertexShaderという名前が付けられています。PropertiesブロックとSubShaderブロックを持ち、頂点シェーダー（Vertex Shader）とフラグメントシェーダー（Fragment Shader）を含んでいます。

Shader "Custom/MyVertexShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            // ここでVertex Shaderとして使用する関数を指定
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            // サンプラー変数の宣言
            sampler2D _MainTex;

            // 頂点データの構造体
            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            // Vertex ShaderからFragment Shaderに渡されるデータの構造体
            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
            };

            // Vertex Shaderの関数
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            // Fragment Shaderの関数
            float4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return texColor;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

詳細解説

Shader "Custom/MyVertexShader":
- シェーダーの名前を定義しています。これはUnityエディター内でシェーダーを識別するための名前です。
Properties:
- シェーダーのプロパティを定義するブロックです。このシェーダーでは、2Dテクスチャ _MainTex を宣言しています。
```
Properties
{
    _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
}
```
- _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}: _MainTexという名前の2Dテクスチャプロパティを宣言しています。デフォルト値は白（"white"）です。

SubShader:

シェーダーの主要な部分を定義するブロックです。SubShaderブロックには、シェーダーパスを定義するPassブロックが含まれています。

SubShader
{
    Pass
    {
        CGPROGRAM
        // ここでVertex Shaderとして使用する関数を指定
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag

        // サンプラー変数の宣言
        sampler2D _MainTex;

        // 頂点データの構造体
        struct appdata
        {
            float4 vertex : POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;
        };

        // Vertex ShaderからFragment Shaderに渡されるデータの構造体
        struct v2f
        {
            float2 uv : TEXCOORD0;
            float4 pos : SV_POSITION;
        };

        // Vertex Shaderの関数
        v2f vert (appdata v)
        {
            v2f o;
            o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.uv = v.uv;
            return o;
        }

        // Fragment Shaderの関数
        float4 frag (v2f i) : SV_Target
        {
            float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
            return texColor;
        }
        ENDCG
    }
}

CGPROGRAM:
- シェーダーコードの開始を示します。このブロック内にCg/HLSLコードを書きます。
#pragma vertex vert:
- Vertex Shaderとして使用する関数 vert を指定します。
#pragma fragment frag:
- Fragment Shaderとして使用する関数 frag を指定します。
sampler2D _MainTex:
- サンプラー変数 _MainTex を宣言します。この変数はテクスチャをサンプリングするために使用されます。
構造体 appdata と v2f:
- appdata構造体は、頂点データを表します。vertexフィールドは頂点位置、uvフィールドはテクスチャ座標を含みます。
- v2f構造体は、Vertex ShaderからFragment Shaderに渡されるデータを表します。uvフィールドはテクスチャ座標、posフィールドはクリップ空間の頂点位置を含みます。
```
struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
    float2 uv : TEXCOORD0;
};

struct v2f
{
    float2 uv : TEXCOORD0;
    float4 pos : SV_POSITION;
};
```
Vertex Shader 関数 vert:
- appdata構造体を入力とし、v2f構造体を出力します。
- UnityObjectToClipPos(v.vertex)関数を使って、頂点位置をオブジェクト空間からクリップ空間に変換します。
- 入力頂点データのUV座標をそのまま出力します。
```
v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = v.uv;
    return o;
}
```
Fragment Shader 関数 frag:
- v2f構造体を入力とし、色値を出力します。
- tex2D(_MainTex, i.uv)関数を使って、テクスチャ _MainTex からサンプリングした色を取得します。
```
float4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
    return texColor;
}
```
ENDCG:
- Cgプログラムの終了を示します。

まとめ

このシェーダーは、テクスチャマッピングされたオブジェクトをレンダリングするシンプルなシェーダーです。
頂点シェーダーで頂点の位置とUV座標を計算し、フラグメントシェーダーでテクスチャから色をサンプリングして出力します。

その他のシェーダータイプ

高度なシェーダーでは、Geometry ShaderやCompute Shaderなども使用されることがありますが、基本的なシェーダーの理解としては、Vertex ShaderとFragment Shaderをしっかりと押さえておくことが重要です。

ShaderGraph

参考0

参考1 外部サイト

参考2