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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。

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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）

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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

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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。

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Base Mapなし（色のみ）

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テクスチャ

image.pngBase 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：

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Metallic Map なし

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テクスチャ

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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。

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Normal Map なし

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法線マップ

image.pngNormal 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）

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Emission なし

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Emmision テクスチャ

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Emissionあり（色：緑）

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

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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）

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「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。

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パーティクル専用（光の計算あり・なし）

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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。

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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、ShaderLab と HLSL 言語についてお調べください。

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