Что такое шейдеры в Unity? Чем отличается вершинный шейдер от фрагментного?

Что такое шейдеры в Unity?

В Unity шейдеры — это программы, написанные на специальных языках (чаще всего HLSL, GLSL или Cg), которые выполняются на графическом процессоре (GPU) и определяют, как визуализируются объекты на экране. Они контролируют все аспекты рендеринга: начиная от преобразования вершин 3D-моделей в экранное пространство, заканчивая расчётом окончательного цвета каждого пикселя.

Шейдеры являются ядром графического конвейера (рендер-пайплайна) и отвечают за реализацию:

• Материалов и поверхностей (металл, дерево, пластик).
• Освещения и теней (рассеянный свет, блики, мягкие тени).
• Визуальных эффектов (отражения, преломления, дисплейсмент, анимация вертексов).
• Постобработки (размытие, bloom, цветокоррекция).

В Unity шейдеры чаще всего пишутся в виде шейдерных программ внутри файлов .shader, которые используют специальный язык шаблонов ShaderLab для настройки параметров. Альтернативно, для создания шейдеров визуальным способом используется Shader Graph.

---

Отличие вершинного шейдера от фрагментного (пиксельного)

Эти два типа шейдеров представляют собой последовательные этапы в конвейере рендеринга.

Вершинный шейдер (Vertex Shader)

Это первая программная ступень графического конвейера. Он выполняется для каждой вершины (vertex) меша (сетки) и отвечает за её преобразование из 3D-пространства в 2D-экранное.

Основные задачи вершинного шейдера:

1. Трансформация позиций: Перевод координат вершины из локального пространства объекта в пространство отсечения (clip space) через матрицы model, view и projection.
2. Передача данных: Подготовка и передача данных (таких как текстурные координаты (UV), нормали, цвет вертекса) в следующие этапы конвейера.
3. Простая вертекс-анимация: Например, волны на воде, покачивание травы или деформация меша.

Пример простого вершинного шейдера на HLSL в Unity:

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    // Трансформация позиции в пространство отсечения
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    // Передача текстурных координат
    o.uv = v.uv;
    // Простая синусоидальная анимация по оси Y
    o.vertex.y += sin(_Time.y * _Speed + v.vertex.x) * _Amplitude;
    return o;
}

Фрагментный (Пиксельный) шейдер (Fragment / Pixel Shader)

Этот шейдер выполняется для каждого потенциального пикселя (фрагмента) растеризованного треугольника. Его главная задача — рассчитать окончательный цвет этого фрагмента.

Основные задачи фрагментного шейдера:

1. Текстурирование: Выборка цвета из текстур на основе переданных UV-координат.
2. Расчёт освещения: Взаимодействие материала с источниками света (диффузное, зеркальное отражение).
3. Применение сложных материалов: Реализация физически based rendering (PBR), прозрачности, рельефа.
4. Отбрасывание фрагментов: Например, для alpha-test материалов (трава, листья).

Пример простого фрагментного шейдера на HLSL:

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // Выборка цвета из основной текстуры
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    // Простой расчёт диффузного освещения по Ламберту
    fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * max(0, dot(i.normal, _WorldSpaceLightPos0.xyz));
    // Наложение освещения на цвет текстуры
    col.rgb *= diffuse;
    // Возврат окончательного цвета пикселя
    return col;
}

---

Сводка ключевых отличий

На практике эти шейдеры работают в паре: вершинный шейдер подготавливает геометрию, а фрагментный шейдер "раскрашивает" её, создавая финальное изображение. Понимание их различий и особенностей критически важно для написания производительных и визуально убедительных материалов в Unity.