シェーダー

シェーダーはGPU（グラフィックスカード）で実行する特別なプログラムである。シェーダーを使うことにより、3Dモデルの「見せ方」（描画）などを自由に変えることができる。ただし、GPUで実行するプログラムは普通のCPUのプログラムと異なり、使い方を学ばないといけない。

GPUとCPUの違い

CPUは「多目的のプロセッサー」で、タスクを切り替えるのは得意な要素である。例えば、Chromeでネットを調べ、見つけたソースコードをVisual Studioに貼り付けたい。プログラムを切り替えるときに、CPUは一旦Chromeを休ませて、Visual Studioを起こして、作業をし続ける。

一方、GPUは「専門的な部品」である。GPUは同時に１つのタスクしかできず、実行中に切り替えることができない。代わりにそのタスクを大変高速に実行ができる。

	CPU	GPU
目的	多目的。同時に様々なプログラムを実行できる（マルチタスク）	専門的。同時に１つのタスクしかできない（描画のみ）※１
タスク切り替え	実行中にタスクを切り替えできる	タスクが終わってから切り替えることができる
切り替えるコスト	低い	高い
条件分岐（if）	条件により、実行の流れを切り替えることができる。	できない※２
並列化	コアが空いていれば、ある程度並列化できる	非常に強い（千～万単位のコアがある）

※１：計算専用の「Compute Shader」というものが存在する。計算シェーダーは描画のためではなく、並列化し、速くなる処理に使える。
※２：「if」命令があるが、実行コストが高くて、できるだけ使わないようにしましょう。

GPUとCPUの協力：シェーダーの流れ

OS（Windows）は、ゲームをハードディスクからメモリに転送し、CPUはメモリから1行ずつの命令を読み、実行する。今まで作ってきたスクリプトのすべてはこの流れで実行する。

ただ、ゲームを実行中に「これからGPUのプログラム（シェーダー）が始まる」という特別な命令が現れる可能性がある。この時、CPUは一旦ゲームを休んで、そのプログラムをGPUに転送する。転送し終わったら、ゲームをもう一度起こして、普通の動作に戻る。

TODO：切り替えの流れの画像をついか！

この「一旦止まり→転送→続く」の処理効率が悪いため、GPUのタスク（プログラム）を切り替えるコストが高いといわれる。従って、できるだけゲーム開始の時に必要なシェーダーをGPUに転送し、その後にあまり変わらないようにすれば良いでしょう。

Unityはある程度にシェーダーの転送をしてくれるため、実装しなくても大丈夫だが、ゲームエンジンにより、手動でシェーダーの転送をおこなわないといけない。

シェーダー（プログラム）の他に、必要なデータも転送しなければならない。シェーダーの場合は、主なデータは3Dモデルの頂点や三角形、または位置や変換などである。Unityの「標準シェーダー」の場合はすべてのデータを自動的に転送されるが、「カスタムシェーダー」の場合は、一部のデータを手動で送信する必要な時もある。

TODO：転送画像をついか！

これからUnityのシェーダーについて学び、そして特殊な効果を再現するため、カスタムシェーダーの作り方を学ぼう。

シェーダーとマテリアルの関係性

Unityでは「シェーダー」と「マテリアル」２つの概念がある。シェーダーはGPUで実行するプログラム。マテリアルは「一部のパラメータを設定したシェーダー」のこと。例えば、シェーダーに「Color」というパラメータがあるとしたら、マテリアルでは「Color＝Red」にする。

従って、１つのシェーダーからたくさんのマテリアルを作成することができる。例えば、以下の「赤いプラ」「輝く金属」と「草と土」が全く同じシェーダー（Universal Render Pipeline / Lit）を使用しているが、パラメター（色、金属性、滑らか性、など）を変えることによって、様々な表面を作ることが可能。

URP（Universal Rendering Pipeline）のシェーダー

UnityのURPモードは、すぐ使えるたくさんのシェーダーがあるので、最も使うシェーダーについてを細かく見てみましょう。

光と陰の計算あり（Universal Render Pipeline / Lit）

URP で新しいマテリアルを作成すると、このシェーダーになる。いくつかのパラメータがあるので、よく使うのを確認しましょう。

Workflow Mode

反射の計算方法。２つがある：

「Metallic」は膨大な素材を再現できる。主には金属を再現するのは得意
「Specular」軽くて速い。金属を再現できず、主にプラスチックの雰囲気を再現するモード

Surface Type

透明設定。２つがある：

「Opaque」不透明。計算するは速い
「Transparent」半透明。後ろのあるものも計算しないといけないので、比較的に遅い

Render Face

見えない三角形（裏側）も描画するかしないか

「Front」表のみ
「Back」裏のみ
「Both」両面

Alpha Clipping

透明度（Alpha）はある数値以下をし下回ると透明になる。この設定は「不透明（Opaque）」でも効く

透明(Alpha)を持っている画像

Alpha Clippingなし

Alpha Clippingあり

Base Map

模様と色。画像（テクスチャ）を使わないなら、一定の色になるが、テクスチャを使うと模様を付けることができる。

Base Mapなし（色のみ）

テクスチャ

Base Mapあり

なお、テクスチャを正しく貼り付けるため「UV座標」が必要である。「UV座標」については、また後で説明する。

Metallic Map / Specular Map

金属（またはプラスチック）である部分・ではない部分のテクスチャ。全体的に変わりがなければテクスチャは不要であるが、部分的に変えたいなら、このテクスチャを設定：

Metallic Map なし

テクスチャ

Metallic Map あり

Smoothness

表面のなめらかさ。数値が高いほど表面が輝くパラメータ

Normal Map

法線マップのテクスチャ。光の計算を変えるテクスチャであり、細かい凸凹を再現するための特別な画像。

Normal Map なし	法線マップ
Normal Map あり

Emission

光る色とテクスチャ（実際に光らないが、光るようにみえる）

Emission なし

Emmision テクスチャ

Emissionあり（色：緑）

光と陰の計算なし（Universal Render Pipeline / Unlit）

陰は計算されない。UIと2Dゲームなどに便利である。

光と陰の計算あり・複雑（Universal Render Pipeline / Complex Lit）

「Lit」（光計算あり）と同じで、さらに「Clear Coat」というパラメータがある。「Clear Coat」は、車のペンキのように、透明な輝くレイヤ（コーティング）を付けることができる。

パーティクル専用（光の計算あり・なし）

パーティクルエフェクト専用のシェーダー。軽くて速いので、たくさんのパーティクルを作成してもあまり重たくならない。光を計算するとしないバージョンがある。

シェーダの種類

シェーダはいくつかの種類がある：

Fragment Shader（フラグメントシェーダー）三角形のピクセル（フラグメント）ごとに実行するプログラム（シェーダー）である。モデルの陰、色、模様などをこのシェーダで計算する。
Vertex Shader（バーテックス・頂点シェーダー）三角形の頂点ごとに実行するシェーダーである。頂点の回転、移動、スケールなどを調整できるシェーダー
Geometry Shader（三角形シェーダー）三角形ごとに実行するシェーダー。LOD（Level Of Detail）やTesselation（三角形再分割）に使ったりする
Compute Shader（計算用シェーダー）汎用的な計算をするためのシェーダー。並列化ができる処理があったら、GPUに転送し、速く処理できる。

ゲーム開発での使う頻度

フラグメントシェーダー：よく使う！モデルの変色、模様のアニメーションやエフェクトなどにカスタムシェーダーを作ることが多い
頂点シェーダー：まぁまぁ使う。柔らかいものの変形（海の波、風による草の動き）などの時に便利
三角形シェーダー：ほとんど使わない。ゲームエンジン（Unity）は自動的に操作する
計算用シェーダー：あまり使わないが、何かの特別な計算を並列に実行したいなら使える。

シェーダの開発言語

シェーダーはGPUで実行するプログラムで、GPUを理解できる言語を使わないといけない。主に２つある：GLSL（GL Shader Language）とHLSL（High-Level Shader Language）。GLSLはOpenGL / Vulkan系のライブラリを使うシェーダー言語である。HLSL は Microsoft社が開発した「DirectX」をベースにしたライブラリで使用する言語である。

Unity は HLSLを基づいた「ShaderLab」という言語を使う。HLSLで使える命令はほとんどそのままUnityで使えるようになり、その上に様々な便利な機能がすでに実装されている。例えば、モデルの変換（移動、回転、スケール）や光の計算は実装済みであり、それ以外に機能だけ実装すれば、カスタムシェーダーを作成ができる。

また、よりも楽にシェーダーを作るには、Unityは「Shader Graph」も対応し、ノードをつなげるだけでシェーダーを作成ができる。

GLSL / HLSL / ShaderLabのどれでも、だいたいC言語と似ている。ただし：

if文を使わないでほしい（一応できるが、計算のコストが高い）
使える関数ははGPU専用のものを使用（テクスチャ・画像の読み方が異なる）
デバッグしにくい：「Debug.Log」がないし、実行中に止めることができない（ブレーキポイントを使えない）
すべてのプログラムは「フラグメントごと」または「頂点ごと」に実行することを忘れないでほしい。

Unityでシェーダー実行する方法

シェーダーは「フラグメントごと」、または「頂点ごと」に実行するため、当然、シェーダーとモデルを連携しないといけない。Unityでは、マテリアル（Material）経由でモデルとシェーダーのひも付けが行われる。マテリアルを作成したあと、シェーダーを変えることにより、そのマテリアルを使うモデル（メッシュ）をそのシェーダーで処理する。

ShaderLab / HLSL

ShaderLab および HLSL は全く新しい言語であり、学ぶ時間がないので、興味がある学生は個別でお調べください。以下、参考できる URL をご確認ください：

代わりに、もう少し直感的な「Shader Graph」でシェーダーの基礎を学び、フラグメントシェーダーと頂点シェーダを把握できるようになったら、また ShaderLab と HLSL 言語についてお調べください。

Shader Graph

プロジェクト設定

ShaderLabの自由度が高く、とてもパワフルなシェーダの作り方であるが、やや難しいところもある。複雑で高速なシェーダが必要なら、ShaderLabの方が良いと思われるが、単純なシェーダなら、Shader Graphの方が楽で、作るのも速くなる。

Shader Graphは言語ではなく、「ノード」というブロックを紐でつなげることにより、視覚的にシェーダを作成ができる。

まず、Shader Graphをインストールしましょう。Unityの Package Manger から Shader Graph をインストールしてください。

初めてのシェーダーグラフ

まず、空のシェーダを作成しましょう。「Project」の中に、専用の「Shader」フォルダーを作成し、その中に「Lit Shader Graph」を作成してください。このシェーダーは後ほど使うので名前を「Chessboard」にしてください。

新しく作ったシェーダーグラフをダブルクリックすると、シェーダーエディタが開く：

各部品を理解しましょう：

頂点シェーダー（Vertex）

頂点シェーダーは、メッシュの各頂点の位置、または法線ベクトルを変えることができるシェーダーである。マテリアルを設定するだけで、3Dモデルの変形ができるシェーダー：

フラグメントシェーダー（Fragment）

フラグメントシェーダーは、メッシュの各ピクセルの色、法線ベクトル、金属性などを変えることができるシェーダーである。マテリアルを設定するだけで、3Dモデルの見え方を変えれるシェーダー：

ブラックボード（Blackboard）

パラメータを作成ができるところ。Unityのインスペクターで変えることができる数値をここに追加する。

グラフ・インスペクター（Graph Inspector）

普通のインスペクターと同様に、現在選択されているものに関する情報や数値を確認し、変えることができるパネル：

ノード設定（ノードによって変わる）	グラフ設定（全般設定）

プレビュー（Main Preview）

シェーダの結果のプレビュー

様々なシェーダを作ろう！

Shader Graph で使える「ノード」を紹介しながら、いろんな効果を再現し、3Dモデルの見せ方を変えてみましょう。

無限チェスボード

考え方：「XZ平面の位置により、白いコマ、または黒いコマを表示したい」

ならば、3D平面の各ピクセルは3D空間の中にどこにあるのかを求める必要がある。その場合は、以下のノードを使える：

Positionノード

Vertexと繋ぐと：各頂点の位置
Fragmentと繋ぐと：各ピクセルの位置

入力

なし

設定

Space：どの位置を使う？
- World：3Dシーンの絶対位置
- Object：GameObject内の相対位置
- View：カメラから見た位置

出力

Out(3)：XYZの位置

Positionノードを Base Color（Fragment）と繋ぐと：

ってどういうこと？実は、「位置」を「色」に書き換えた。元々の位置はXYZとして表現していたものを、そのままRGBに書き換えて、表示しているだけ。つまり：

X＝R→X軸の位置が大きくなると、色が赤くなる
Y＝G→Y軸の位置が大きくなると、色が緑になる
Z＝B→Z軸の位置が大きくなると、色が青くなる

確認：平面の位置を変えて、色がどう変わるのか、確認してみてください。
※ポイント：色はいつも０～１の間で表現するので、位置は「1」を超えると最大値になり、それ以上色が変わらない

Positionノードで位置を取れることが分かったが、なかなかチェスボードにならない。問題を分けて、少しずつ解決してみましょう。まず、Ｘ軸だけで白黒の「しましま」のパターンを作成しましょう。YとZは要らないので、新しいノードが必要：

Split ノード

Splitノード

ベクトルを成分に分割する

入力

In(1)：2D, 3Dまたは4Dのベクトル

設定

なし

出力

R(1)：赤色、またはX軸
G(1)：緑色、またはY軸
B(1)：青色、またはZ軸
A(1)：アルファ値、または4Dの４つ目の成分（W）

グラフを直して、Position→Split(R)→Base Colorをつなげてみましょう：

X軸の数値だけしか残らないので、Xの位置が大きいほど、白くなる！（RGBはすべてXの数値になる）。ちょっと近づいた気がしますが、しましまのパターンになっていない。何か周期的に繰り返すものがないか？

この図は「sin(θ)」のグラフであり、2πごとになみのように繰り返す関数である！x軸はどれだけ大きくなっても、出力は必ず-1～1の間になるので、次のノードを追加しましょう：

Sine ノード

Sineノード

ベクトルを成分に分割する

入力

In(1)：角度（ラジアン）

設定

なし

出力

Out(1)：サイン関数の結果

Position→Split(R)→Sine→Base Colorにすると：

しましまのパターンが現れた！…が、色がなめらかに変わる。確かに、Sinのグラフを見ると、-1〜1の間にゆっくり変わる。「白→黒→白→黒」の２色だけがほしい、以下のように：

つまり、「sin」が「0以上」だったら、「1」にし、「0未満」の場合は、「0」とする（青い線）。これは、「Step」ノードで実現できる！

Step ノード

Stepノード

入力した値を「しきい値」以上だと「1」を返す、以下だと「０」を返す

入力

Edge(1)：しきい値
In(1)：入力値

設定

なし

出力

Out(1)：「０」か「１」

Sineの後にStepノードを挟んで、確認しましょう。Edge は「0」にしてください。

かなりよくなった！ただし、１つの「ストライプ」はUnityのグリッドと比べると、サイズが合わない。なぜなら、Unityのグリッドの間隔は「1単位」なのだが、sin の周期は π（約3.1416）である。これは簡単に解決できる。sin の周期は Unity の1単位にすれば良いでしょう。つまり、1つの単位をπ倍数にすれば良いということです。掛け算のノードは：

Multiply ノード

Multiplyノード

２つの数値の掛け算を返す

入力

A(1)：１つ目の数値、またはベクトル
B(1)：２つ目の数値、またはベクトル

設定

なし

出力

Out(1)
- 数値と数値：A × B
  - 10 x 4 = 40
- 数値とベクトル：数値と各成分でできる新しいベクトル
  - 3 x [1, 2, 3] = [3, 6, 9]
- ベクトルの場合は、各成分の掛け算を返す
  - 例：[1, 2, 3] × [4, 5, 6] = [4, 10, 18]

Split → Multiply → Sine を繋ぎ、「B」は「3.1416」にしておいてください：

Sineの周期をUnityの単位に合わせたので、１つのストライプはグリッドにぴったり！

これで、チェスボードの半分ができた！Z方向の処理は同じになるので、ノードを重複してもOK！（Splitノードの（R）の代わりに（B）を使ってください）

では、ZとXどう合成すれば良いでしょう？Zは「黒」の場合は、Xのストライプはそのままにして、Zは「白」になったら、Xの色を反転してほしい（白↔黒）

色は「白：1」「黒：0」というのを分かっているので、XとZの差分（X-Z）を計算してみましょう：

X方向の値（色）	Z方向の値（色）	X-Z	期待
１（白）	０（黒）	１（白）	１：✓
０（黒）	０（黒）	０（黒）	０：✓
１（白）	１（白）	０（黒）	０：✓
０（黒）	１（白）	-1（？）	１：×

最後だけは「1」ではなく、「-1」になってしまうので、絶対値を取れば直せる。以下の２つのノードで「X」と「Z」を合成しましょう：

Subtract ノード

２つの数値の引き算を返す

入力

A(1)：１つ目の数値、またはベクトル
B(1)：２つ目の数値、またはベクトル

設定

なし

出力

Out(1)
- 数値と数値：A - B
  - 10 - 4 = 6
- 数値とベクトル：数値と各成分でできる新しいベクトル
  - 3 - [1, 2, 3] = [2, 1, 0]
- ベクトルの場合は、各成分の引き算を返す
  - 例：[1, 2, 3] - [4, 5, 6] = [-3, -3, -3]

Absolute ノード

絶対値を返す

入力

In(1)：数値、またはベクトル

設定

なし

出力

Out(1)：数値、また各成分の絶対値

X方向とZ方向の差分＋絶対値を計算し、Base Colorと繋ぐと：

レインボーキューブ

このシェーダは、オブジェクトのUVを変えて、テクスチャをアニメーションするシェーダである。まず、「rainbow」のテクスチャをドラッグドロップでシェーダに追加する。自動的に、Sample Texture 2Dのノードを作成される：