unity 打包动态生成 ShaderVariantCollection

对Shader Variant的研究(概念介绍、生成方式、打包策略)

https://blog.csdn.net/RandomXM/article/details/88642534

基础知识介绍
什么是ShaderVariant

在写shader时，往往会在shader中定义多个宏，并在shader代码中控制开启宏或关闭宏时物体的渲染过程。最终编译的时候也是根据这些不同的宏来编译生成多种组合形式的shader源码。其中每一种组合就是这个shader的一个变体(Variant)。
Material ShaderKeywords与ShaderVariant

Material所包含的Shader Keywords表示启用shader中对应的宏，Unity会调用当前宏组合所对应的变体来为Material进行渲染。
在Editor下，可以通过将material的inspector调成Debug模式来查看当前material定义的Keywords，也可在此模式下直接定义Keywords，用空格分隔Keyword。
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在程序中，可用Material.EnableKeyword()、Material.DisableKeyword()、Shader.EnableKeyword()、Shader.DisableKeyword()来启用/禁用相应的宏。Enable函数应与Disable函数相对应。若一个宏由Material.EnableKeyword()开启，则应由Material.DisableKeyword()关闭，Shader.DisableKeyword()无法关闭这个宏。Material中定义的Keywords由Material的函数进行设置。
multi_compile与shader_feature

multi_compile与shader_feature可在shader中定义宏。两者区别如下图所示：
   multi_compile    shader_feature
定义方式    #pragma multi_compile A    #pragma shader_feature A
宏的适用范围    大多数shader    一般仅针对shader自身
变体的生成    生成所有的变体    可自定义生成何种变体
默认定义的宏    默认定义首个宏    默认定义首个宏

    定义方式
    定义方式中值得注意的是，#pragma shader_feature A其实是 #pragma shader_feature _ A的简写，下划线表示未定义宏(nokeyword)。因此此时shader其实对应了两个变体，一个是nokeyword，一个是定义了宏A的。
    而#pragma multi_compile A并不存在简写这一说，所以shader此时只对应A这个变体。若要表示未定义任何变体，则应写为 #pragma multi_compile __ A。

    宏的适用范围
    multi_compile定义的宏，如#pragma multi_compile_fog，#pragma multi_compile_fwdbase等，基本上适用于大部分shader，与shader自身所带的属性无关。
    shader_feature定义的宏多用于针对shader自身的属性。比如shader中有_NormalMap这个属性(Property)，便可通过#pragma shader_feature _NormalMap来定义宏，用来实现这个shader在material有无_NormalMap时可进行不同的处理。

    变体的生成
    #pragma multi_compile A B C
    #pragma multi_compile D E
    则此时会生成 A D、A E、B D、B E、C D、C E这6中变体。
    shader_feature要生成何种变体可用shader variant collection进行自定义设置。

    默认定义的宏
    当material中的keywords无法对应shader所生成的变体时，Unity便会默认定义宏定义语句中的首个宏，并运行相应的变体来为这个material进行渲染。
    multi_compile与shader_feature都默认定义首个宏，如下表所示:

宏定义语句    默认定义的宏
#pragma shader_feature A    nokeyword(存在简写问题)
#pragma shader_feature A B C    A
#pragma multi_compile A    A
#pragma multi _compile A B C    A
如何控制项目中Shader变体的生成

项目中shader的生成方式主要有三种，其优缺点如下表所示：
生成方式    优点    缺点
shader与material打在一个包中    变体根据material中的keywords自动生成    多个不同的material包中可能存在相同的shader变体，造成资源冗余
若在程序运行时动态改变material的keyword其变体可能并没有被生成
Shader单独打包，使用multi_compile定义全部宏    全部变体都被生成，不会发生需要的变体未生成的情况    生成的变体数量庞大，严重浪费资源
Shader单独打包，shader_feature与multi_compile结合使用    能够有效控制变体数量    如何确定哪些变体需要生成
容易遗漏需要生成的变体

而我们希望的结果是在保证渲染效果正确的情况下，要尽可能的控制项目中shader的变体数量，避免产生冗余资源。幸运的是，Unity已经为我们准备好了解决方案：ShaderVariantCollection。
解决方案：ShaderVariantCollection
ShaderVariantCollection介绍

Shader Variant Collection是用来记录shader中哪些变体是实际使用的。其优点主要有：在shader_feature与multi_compile结合使用时，能够设置生成何种变体，从而避免生成不必要的变体；shader不必和material打在一个包中，避免了多个包中存在相同的变体资源；明确直观的显示了哪些变体是需要生成的。

在Unity中可以通过Create->Shader-> Shader Variant Collection，就可以新建一个shader variant collection文件，shader variant collection 的使用如下图所示：
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点击增加变体后，会出现变体选择窗口
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配置好需要生成的变体后，将collection与shader打在同一个包中，便能准确生成面板中所配置的shader变体。
ShaderVariantCollection生成变体规则

除了在collection中配置的变体会被生成外，Unity还在后台为我们多生成了几个变体，这几个变体是“隐藏的”，并未在collection面板中显示。

    必定生成首个宏定义开启所对应的变体。
    Shader中通过#pragma shader_feature A定义了宏A，并在collection中加入了宏A所对应的变体，如下图所示：
    在这里插入图片描述
    此时生成的变体除了collection中已经存在的ForwardBase A外，还会生成变体ForwardBase nokeyword。因为只定义单个宏时，A 为 _ A的简写。实际上首个被定义的宏为nokeyword，故 nokeyword所对应的变体必定会被生成。
    同理，以 #pragma shader_feature A B C来定义宏时，即使collection中未添加变体Forward A，这个变体也必定会被生成(当shader的PassType仅有ForwardBase)。

Shader中有多个Pass时变体的生成规则

    a. 读取ShaderVariantCollection中已存在的变体，获取它们的Keywords。
    b. 将这些Keywords分别与每个Pass的多组Keywords列表求交集，取交集中Keywords数量最多得那组。
    c. 用得到的Keywords与对应的PassType生成ShaderVariant，并添加到ShaderVariantCollection中。
    d. 若得到得交集中有新的Keywords，则回到b。

上述过程类似递归。例如：
Shader 中有 ForwardBase、ForwardAdd、Normal 三种PassType(以下为了方便简称Base、Add、 Normal)。定义的宏如下：
Base    Add    Normal
#pragma shader_feature A
#pragma shader_feature B
#pragma shader_feature C    #pragma shader_feature A
#pragma shader_feature E    #pragma shader_feature A
#pragma shader_feature B
#pragma shader_feature E

此时若ShaderVariantCollection中包含的变体是 Base ABC，Add AE。则此时生成的变体为：这三种PassType的默认定义的宏(nokeyword)所对应的变体(3个)以及原先直接包含的Base ABC、Add AE。除此之外Unity还会额外生成Add A、Base A、Normal A、Normal AB、 Base AB、Normal AE这6个变体。

ABC ∩ Add AE -> Add A (A is NewKeyword)
    A ∩ Base ABC -> Base A
    A ∩ Normal ABE -> Normal A
ABC ∩ Normal ABE -> Normal AB (AB is NewKeyword)
    AB ∩ Base ABC -> Base AB
AE ∩ Normal ABE -> Normal AE
变体的调用规则

当collection将变体准确生成后，便能在运行时通过修改material中的keywords来实现对不同变体的调用。
假设某collection生成的变体只有Forward ABC，Forward ABE，Forward nokeyword这三种，则此时调用关系如下：
Material中的Keywords    调用的变体    解释
A B C    Forward A B C    正常匹配
A B    Forward nokeyword    没有匹配的变体，调用默认被定义的宏所对应的变体
A B C D    Forward A B C    调用交集中keyword数量多的变体
ABCD ∩ ABC = ABC
ABCD ∩ ABE = AB
A B C E    Forward A B C    交集中keyword数量相同，在collection中谁在前就调用谁
A B C E    Forward A B C    与在material中的定义顺序无关

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以上规则均为根据测试总结归纳出来的规则，若有错误之处还请严加指正！
项目中对Shader Variant的管理
项目中变体的添加

那么项目中是如何确定哪些变体是需要加到collection中的呢？我们的做法是：

遍历每一个Material，提取其shader keywords。
将获得的keywords与shader的每个PassType所包含的宏定义做交集，并将其结果添加到collection中。

举个简单的例子，Material中的Keywords为A B C D，则shader的PassType、PassType中所定义的宏、需要往collection中添加的变体则如下表所示：
PassType    定义的宏    需要往collection中添加的变体
ForwardBase    #pragma shader_feature A
#pragma shader_feature B    Forward A B
((ABCD ∩ AB = AB))
ForwardAdd    #pragma shader_feature _ C D    Add C
(ABCD ∩ C = C，ABCD ∩ D = D，但C的定义在D前，故只添加C)
Normal    #pragma shader_feature _ E F    Normal NoKeyword
(ABCD ∩ E = NoKeyword)
(ABCD ∩ F = NoKeyword)

需要说明的是，我们自己的代码里为了降低变体生成逻辑的复杂度、保持collection面板上变体的直观性，不将Unity为我们额外生成的那几个变体添加到collection面板中，但要记得Unity是会为我们生成额外的变体的。
Shader编写规范

    建议使用shader_feature时将定义语句写成完整模式，并且不要在一个语句中定义多个宏。
    完整模式：#pragma shader_feature _ A，不建议写成#pragma shader_feature A。
    不建议在一个语句中定义多个宏，如： #pragma shader_feature _ A B C，若一定要定义多个宏，请务必将其写成完整模式，不使用完整模式在切换shader时可能会与想要的效果不一致，具体原因尚未测得。

    若在shader中使用shader_feature，请为这个shader指定一个CustomEditor
    每个使用shader_feature来定义Keyword的shader都需要再末尾加个 CusomEditor “xxxx”，并在代码中实现类xxxx(需继承自UnityEditor.ShaderGUI)，用来对Keywords定义进行设定。
    这么做是因为Material中的部分Keyword是由shader中的属性(Properties)所控制的。比如shader中含有_NormalMap的属性并且定义了与_NormalMap相关的Keyword，这个Keyword需要在Material含有NormalMap时添加，不含NormalMap时移除。这个功能可由自定义的CustomEidtor实现。
    具体如何写这个CustomEditor类可参考Unity builtin_shaders\Editor\StandardShaderGUI.cs。该文件可去Unity官网下载，下载时选择内置着色器即可。
    在这里插入图片描述

如果需要在代码中开关宏，请使用multi_compile来定义这个宏，以免变体丢失。
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来源：CSDN

作者：kuangben2000

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