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Shader 与 Material 系统下一阶段计划

日期：2026-04-03

1. 阶段结论

当前 Renderer 这一轮主线已经完成收口，但完成的是“基础运行时闭环”，不是“最终的 Unity 风格 shader/material 体系”。

已经完成并应视为当前基线的内容：

• Shader 运行时契约已具备 properties / passes / resources / backend variants
• builtin shader 资源已经外置，运行时不再依赖 C++ 内嵌 fallback
• Material 对 builtin forward 的基础属性解析已经优先走 shader semantic
• BuiltinForwardPipeline 已按 shader pass resources 合约生成 pipeline layout 与 descriptor binding
• Shader 已接入 AssetDatabase / Library 流程，shader import 会生成 main.xcshader
• ShaderLoader 已支持加载 .xcshader artifact
• shader manifest 依赖与 Material -> Shader 依赖已进入资产追踪链
• rendering_unit_tests
• rendering_integration_textured_quad_scene
• rendering_integration_backpack_lit_scene
• shader_tests
• material_tests

三后端验证当前是稳定的：

• D3D12：通过
• OpenGL：通过
• Vulkan：通过

但这仍然只是“Shader / Material Runtime 的第一层骨架”。

当前真正还没有完成的是：

• Unity 风格的 shader authoring 入口
• 正式的 material schema / instance contract
• 从 shader property layout 到 GPU material layout 的通用映射
• 从 builtin forward 扩展到更通用 pass 的正式执行模型

2. 旧计划归档说明

以下两份计划文档已经完成历史使命，应归入 docs/used/：

• Renderer模块设计与实现.md
• Renderer下一阶段_ShaderMaterial与Pass体系设计.md

原因不是它们“写错了”，而是：

• 第一份解决的是 Renderer 模块从无到有的问题，当前骨架已经落地
• 第二份解决的是“为什么下一阶段先做 shader/material/pass contract，而不是 render graph”的阶段判断；这份判断已经部分兑现，整体已过期

本文件接手它们之后的主线，只保留对当前 checkout 仍然有效的目标。

3. 当前真实问题

3.1 Shader 运行时有了，但 authoring 还没有正式化

现在的运行时已经能消费：

• shader property
• pass tag
• pass resource binding
• backend variant

但作者侧仍然不是最终形态。

当前还缺：

• 面向用户的 Unity 风格 .shader 语法入口
• import 阶段把 authoring 语法转换为 runtime contract 的正式流程
• shader 资产与 Library artifact 的稳定产物边界

3.2 Material 仍偏“资源容器”，还不是正式材质实例系统

当前 Material 已有：

• shader 引用
• render state
• property / texture 覆盖
• tag / queue

但它还缺少真正用于 Renderer 执行的正式约束：

• 基于 shader property schema 的类型验证
• property 默认值与 override 的统一解析
• per-pass material constant layout
• texture / sampler / buffer 到 pass resource 的正式映射
• renderer 侧可缓存、可失效、可复用的 material binding plan

3.3 现有 pass contract 仍偏 builtin-forward 视角

当前 forward 主链已经能跑，但完整的 pass contract 还没有正式化为可扩展系统。

后续至少要能稳定承接：

• ForwardLit
• Unlit
• DepthOnly
• ShadowCaster
• ObjectId

否则后面一旦开始做阴影、深度预通道、更多 editor/runtime helper pass，就会重新退化回 pipeline 内部的条件分支拼装。

3.4 三后端问题的本质不是“语法不同”，而是“资产如何统一”

当前真正要解决的，不是简单回答“到底用 GLSL 还是 HLSL”，而是明确三层边界：

1. 对外 authoring 语法是什么
2. import 后的内部运行时资产是什么
3. 每个 backend 最终执行的 variant 是什么

这三层不分开，后面一定会把 authoring、runtime、backend 编译链搅在一起。

4. 下一阶段的目标

下一阶段只做一件事：把 Shader 和 Material 从“能支撑当前 builtin forward 的运行时拼装”升级为“能长期承接 Unity 风格渲染架构的正式系统”。

4.1 对外 authoring 语法目标：严格向 Unity 对齐

最终对外公开的 shader 语法目标，必须与 Unity 的使用方式保持一致。

目标形态应当是：

• 单个 .shader 文件作为逻辑 shader 入口
• Shader / Properties / SubShader / Pass 的层级结构
• pass 内通过 HLSLPROGRAM ... ENDHLSL 或等价块组织代码
• 通过 #pragma vertex / #pragma fragment 指定 stage 入口

也就是说：

• 对外 authoring 视角应当是“Unity 风格的一体化 shader 文件”
• 不是要求作者直接去维护一堆 runtime JSON manifest
• 也不是让上层逻辑直接感知 D3D12/OpenGL/Vulkan 各自的底层差异

4.2 对内 runtime 资产目标：继续保留 contract 模型

虽然 authoring 目标要严格向 Unity 靠拢，但 runtime 不应直接拿 authoring AST 当执行数据。

运行时仍应落到清晰的 contract：

Shader Asset
  -> Properties
  -> Passes
       -> Tags
       -> Resource Bindings
       -> Backend Variants

原因很直接：

• Renderer 需要稳定、扁平、可缓存的数据结构
• 三后端最终执行的仍然是 backend variant
• material schema 与 pass binding 都需要基于 import 结果，而不是原始文本

结论是：

• 外部写法要像 Unity
• 内部执行模型继续使用现在这套 runtime contract，并进一步完善

4.3 Material 目标：从资源对象升级为正式材质实例

Material 下一阶段的核心不是“多支持几个 SetFloat”，而是建立正式实例语义。

Material 至少要明确：

• 引用哪个 shader
• 使用哪个 pass 或 pass 策略
• 每个 property 的默认值、覆盖值、类型与序列化规则
• 每个 pass 对应的 material constant block 如何布局
• 每个 texture / sampler / buffer 如何映射到 pass resource

Renderer 侧则必须能把这些内容稳定编译成：

• material binding key
• material constant payload
• descriptor update plan
• pipeline compatibility key

5. 推荐架构

5.1 分成三层，不混写

推荐明确拆成三层：

Unity-like Shader Authoring (.shader)
    -> Shader Importer
    -> Runtime Shader Contract
    -> Backend Variants / Material Binding Plan

三层职责分别是：

• authoring 层：给人写、给 editor 看
• importer 层：把 authoring 语法转成稳定运行时资产
• runtime 层：给 renderer 执行、缓存、绑定、测试

5.2 Shader 的 public contract 与 backend contract 分离

下一阶段不建议把“Unity 风格语法”直接等同于“单源码自动跨平台编译已完全成熟”。

更务实的路线是：

• public contract 先统一成 Unity 风格 .shader
• importer 先产出统一 runtime contract
• backend variant 暂时仍允许按 backend 持有各自的编译输入或中间产物

这意味着：

• 作者看到的是统一 shader
• Renderer 消费的是统一 runtime contract
• backend 最终执行的仍然可以是不同 variant

这个分层既不违背 Unity 风格目标，也不会过早把工程拖进复杂的全平台 shader 编译链泥潭。

5.3 Vertex / Fragment 的外部写法按 Unity 组织，内部可拆分

对外语义上，vertex / fragment 应当属于同一个 pass。

也就是说，public authoring 角度要符合 Unity：

• 一个 shader
• 一个或多个 subshader
• 一个或多个 pass
• 每个 pass 里通过 pragma 指定 vertex / fragment

但内部 import/runtime 完全可以把它们拆成：

• pass descriptor
• vertex stage variant
• fragment stage variant

外部合一，内部拆开，这是最稳妥的做法。

6. 下一阶段实施顺序

阶段 D0：先打通 Shader Import / Artifact 基础设施（已完成）

这是当前 checkout 在 2026-04-03 已经完成的新增里程碑。

完成内容：

• ShaderImporter 已接管 .shader / .hlsl / .glsl / .vert / .frag / .geom / .comp
• shader import 结果会写入 Library/Artifacts/.../main.xcshader
• ShaderLoader 已支持直接读取 .xcshader
• shader manifest 中声明的 stage 源文件会进入依赖追踪
• Material 对引用 shader 的直接依赖也已进入依赖追踪
• shader_tests 与 material_tests 已覆盖 shader artifact 生成、加载与重导场景

这一步的意义不是“最终方案已完成”，而是先把 shader 纳入和 texture/material/mesh 一致的资产闭环。

没有这一步，后续不管做 Unity 风格 frontend，还是做 material schema，都会一直建立在“运行时临时解析源码”的不稳定基础上。

阶段 0：当前基线确认

这部分已经完成，不再作为待办：

• runtime shader contract 已建立
• builtin forward 已按 pass resources 驱动
• 三后端渲染回归通过

阶段 A：建立 Unity 风格 Shader Authoring Frontend

目标：

• 新增 Unity 风格 .shader authoring 入口
• importer 能解析最小闭环子集

第一批建议支持的子集：

• Shader
• Properties
• SubShader
• Tags
• Pass
• HLSLPROGRAM / ENDHLSL
• #pragma vertex
• #pragma fragment

交付标准：

• builtin forward-lit
• builtin unlit
• builtin object-id
• builtin infinite-grid

至少迁移其中一条主线并成功跑通三后端测试。

阶段 B：建立正式的 Material Schema 与 Instance Contract

目标：

• shader importer 输出可供 material 消费的 property schema
• material 对 property override 做类型校验与默认值回退
• 为 pass 生成 material constant layout 与 resource mapping

交付标准：

• material 不再只靠 builtin alias 名字兜底
• shader property semantic 变成正式主路径，而不是兼容性补丁
• renderer 能从 shader schema 生成 material binding payload

当前建议把这一阶段作为下一步主线。

原因：

• shader artifact 与依赖追踪已经到位，shader 现在可以作为稳定 schema 来源
• material 仍然缺少基于 shader property 的正式类型校验、默认值回退和资源映射
• renderer 目前虽然能消费 pass resources，但 material binding 仍偏 builtin-forward 特判

当前进展（2026-04-03）：

• 已完成：shader schema 驱动的 property 类型校验与默认值回退
• 已完成：source .material 的 properties authoring 入口
• 已完成：material constant layout runtime contract
  • Material 现在会生成正式的 constant layout 元数据
  • layout 字段包含 name / type / offset / size / alignedSize
  • renderer 读取的已不再只是裸字节 payload，而是 layout + payload 组合
• 下一步：把 texture / sampler / constant resource mapping 从 builtin forward 特判继续推进到更通用的 pass contract

阶段 C：把 Pass Binding 扩展为正式材质执行链路

目标：

• 不只是 builtin forward 能吃 pass resources
• Unlit、ObjectId 也逐步切到同一套 shader/material contract
• pipeline state key 与 descriptor binding plan 从“按功能写逻辑”升级到“按 shader pass contract 解析”

交付标准：

• 至少 ForwardLit + Unlit + ObjectId 共用同一套 shader/material 执行边界
• 新增 pass 不再默认要求先写一套新的硬编码 binding 路径

阶段 D：扩展 AssetDatabase / Library Artifact 能力

目标：

• 在已完成的 shader artifact 基础上，继续扩展 import 产物边界
• backend variant 的编译输入、中间产物或缓存策略进入 Library/Artifacts
• 为后续 Unity 风格 .shader frontend 预留稳定 importer 输出层

交付标准：

• 资源改动能够稳定触发 shader/material 重新导入
• editor/runtime 读取的是 import 后资产，不是源码临时解析
• shader importer 不再只服务当前 JSON manifest 兼容路径，也能承接下一步 authoring frontend

阶段 E：测试与回归收口

目标：

• 给 shader importer、material schema、binding plan 增加 unit tests
• 对 forward/unlit/object-id 增加 integration coverage
• 保持 D3D12 / OpenGL / Vulkan 一致回归

最低验证集：

• shader_tests
• material_tests
• rendering_unit_tests
• rendering_integration_textured_quad_scene
• rendering_integration_backpack_lit_scene

必要时新增：

• rendering_integration_unlit_scene
• rendering_integration_object_id_scene

7. 当前阶段明确不做

下一阶段不应把范围扩散到下面这些方向：

• render graph
• shader graph
• 全平台单源码自动转译一次性做完
• 完整 SRP scripting API
• 大规模后处理框架

这些都依赖 shader/material 正式体系先稳定下来。

8. 成功标准

这个阶段完成时，应该满足下面几个判断：

• 作者侧已经可以写 Unity 风格的 .shader
• runtime 已不再依赖手写 JSON manifest 才能描述 pass contract
• material 能基于 shader schema 做正式绑定，而不是 builtin 特判兜底
• 至少 ForwardLit / Unlit / ObjectId 三类 pass 共用统一 shader/material 执行边界
• 三后端回归测试仍稳定通过

9. 一句话总结

下一阶段不是继续给 builtin forward 打补丁，而是把 Shader 和 Material 正式提升为 Unity 风格渲染架构中的稳定中层资产与执行契约。