Unity&Shader基础篇-Cg语法
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1.2、Cg语法基础
如C++、C#和Java等高级语言一样，Cg语言也有自己的数据类型和关键字。掌握和理解这些关键字是写好Cg程序的基础。
1.2.1、Cg的数据类型与关键字
基本数据类型：Cg支持7种基本的数据类型
1、float，32位浮点数据，一个符号位。浮点数据类型被所有的图形接口支持；
2、half，16位浮点数据；
3、int，32位整形数据
4，fixed，12位定点数，
5、bool,布尔数据，被所有的图形接口支持；
6、sampler*,纹理对象的句柄，分为sampler、sampler1D、sampler2D、sampler3D、samplerCUBE和samplerRECT。
内置的数据类型：基于基础数据类型，如float3，表示float类型的三维向量；同理，bool2表示布尔类型的二维向量。
注：向量最长不能超过四元，如float5 vector;//编译错误
向量的赋值，float2 a=float(1.0,1.0); //编译通过
float2 a=float(1.0f,1.0f); //编译错误
float3 b=float(a,0.0); //编译通过
矩阵数据类型，float1X1 m1; //即float m1，一维矩阵
float3X4 m34 //3*4阶矩阵
注：X是字符，不是乘号，最大的维数为4*4阶
矩阵的初始化 float 2*2 m22={1.0,2.0,3.0,2.3};
float3 x和floatx[3]是不同的，前者为向量是内置的数据类型，而数组则是一种数据结构，不是内置的数据类型。
类型转换：Cg中的类型转换有强制转换和隐式转换；如果是隐式转换则数据类型从低精度向高精度转换。如：
float a=1.0;
half b=2.0;
float c=a+b; //等价于float c=a+(float)b；
Cg语言中可以对常量数据加上类型后缀表示该数据类型的数据，如：
float a=1.0h; //1.0h为half类型常量数据
这样的后缀类型有三种：
f:表示float;
h:表示half;
x:表示fixed;
Swizzle操作符：Cg语言中的其他操作符和高级CPU语言C++类似，包括关系操作符、逻辑操作符和位移操作符以及条件操作符。而Swizzle操作符是Cg语言中特有的，它可以将一个向量的成员取出组成一个新的向量。对于坐标或者角度等其他多维向量，Swizzle操作符（.)后接x、y、z、w分别表示原始向量的第一个、第二个、第三个和第四个元素；同样，对于颜色可以后接r、g、b和a来表示同样的索引。
例如：
float4(a,b,c,d).xwz 等价于 float(a,d,c)
float4(a,b,c,d).xxy 等价于 float(a,a,b)
注：Swizzle操作符只对结构体和向量使用，不能对数组使用。
输入数据关键字：Cg中输入数据流一般分为两类
1、varying 参数：在Cg程序中通过语义进行绑定变量， Cg语言提供了一组语义词，用以表示参数是由顶点的那些数据初始化的，一旦这个变量使用了语义词进行绑定，那么这个变量值被初始化的同时也意味着它有了特殊的含义，如表示位置、法线等含义。语义提供了一种使用随顶点变化或随片段变化而变化的值来初始化Cg程序参数的方法，这些数据都是从应用程序输入到GPU的数据，如顶点位置、法向量、纹理坐标数据等。
2、Uniform参数：Uniform是用来限制一个变量的初始值的来源，当声明一个变量为Uniform类型的时候，表示这个变量的初始值来自于外部的其他环境。除了获取初始值的这点之外，Uniform关键字声明的变量和其他变量是完全一样的。通常用Uniform来定义一些与三维渲染有关的离散信息数据，并通常不会随着图元信息的变化而变化，如材质对光的反射信息。Uniform表示一个参数，通常使用uniform表示函数的形参，不能定义一个uniform表示的局部变量。
Unity的内置Uniform输入参数如下：
uniform float4 _Time, _SinTime, _CosTime; // 时间量
uniform float4 _ProjectionParams; // x = 1 or -1 (如果投影翻转就是-1)
// y = 近平面; z = 远平面; w = 1/远平面
uniform float4 _ScreenParams; // x = width; y = height; z = 1 +1/width; w = 1 + 1/height
uniform float3_WorldSpaceCameraPos;
uniform float4x4 _Object2World; //模型矩阵
uniform float4x4 _World2Object; // 模型矩阵的逆
uniform float4 _LightPositionRange; // xyz = pos, w = 1/range
uniform float4 _WorldSpaceLightPos0; // 光源的位置和方向
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_MVP; // 模型视图投影矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_MV; // 模型视图矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_V; // 视图矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_P; // 投影矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_VP; // 视图投影矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_T_MV; // 模型视图矩阵的转置矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_IT_MV; // 模型视图矩阵的逆矩阵的转置矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE0; // 贴图纹理矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE1; //贴图纹理矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE2; //贴图纹理矩阵
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE3; //贴图纹理矩阵
uniform float4 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT; // 环境色
这些变量在Unity中可以直接使用，本章第三节中将会展现如何在Unity中使用这些内置的Uniform变量。
1.2.2、输入输出和语义
输入输出：在第一节中我们了解到对于程图形渲染管线，可编程控制的部分只有两个，顶点着色器和片段着色器。对于编程控制这两个部分，首要的任务就是要怎么给它们传参数。Cg语言的参数传递同样也有“值传递”和“引用传递”之分。因为GPU不支持指针，所以Cg语言采用了如下的方式来修辞参数传递：
1、in:修辞一个形参只是用于输入，进入函数体时被初始化，且该形参值的改变不会影响实参值，传递方式为值传递。
2、out:修辞一个形参只是用于输出，进入函数体时没有被初始化，一般为函数的返回值。
3、inout:修辞一个形参即用于输入也用于输出，这是典型的引用传递。
语义：表示图元数据的含义（顶点的位置、法向量或者纹理信息），也表明这些图元数据存放的硬件资源。因为顶点着色器的输出即是片段着色器的输入，所以顶点着色器的输出必须和片段着色器的输入语义是一致的。语义是顶点程序和片段程序之间输入输出数据和寄存器之间的桥梁，因此语义只对这两个处理阶段有意义，并且只在入口函数才有效，在内部函数无效。语义概念的提出和图形流水线工作机制大有关系。从前面所讲的GPU处理流程中可以看出，一个阶段处理数据，然后传输给下一个阶段，那么每个阶段之间的接口是如何确定的呢？例如：顶点处理器的输入数据是处于模型空间的顶点数据（位置、法向量），输出的是投影坐标和光照颜色；片段处理器要将光照颜色做为输入，问题是“片段处理器怎么知道光照颜色值的存放位置”。在高级语言中（C/C++），数据从接口的一端流向另一端，是因为提供了数据存放的内存位置（通常是指针信息）；由于Cg 语言并不支持指针机制，且图形硬件处理过程中，数据通常暂存在寄存器中，故而在Cg 语言中，通过引入语义绑定（binding semantics）机制，指定数据存放的位置，实际上就是将输入输出数据和寄存器做一个映射关系（在OpenGL Cg profiles 中是这样的，但在DirectX-based Cgprofiles 中则并没有这种映射关系）。根据输入语义，图形处理器从某个寄存器取数据；然后再将处理好的数据，根据输出语义，放到指定的寄存器。
语义词和语义绑定：Unity的顶点着色器（程序）中常用的语言词有如下：
1、POSITIONSV_POSITION :模型坐标的位置,
2、TANGENT:正交于表面法线的向量
3、NORMAL:表面法线向量，需要进行归一化
4、TEXCOORDi：第i组纹理坐标（也即UV坐标，坐标范围在0~1之间）,i是0~7中的一个数字
5、COLOR:颜色
6、PSIZE:点的大小
7、BLENDINDICES：通用属性，可以用它和TANGENT来替换TEXCOORDi
注：SV_POSTION和POSTION的唯一区别是用在顶点着色器中作为输出语义时，SV_POSTION表示的顶点位置会被固定，不能被改变。如果作为片段着色器的输入语义就是一样的，都可以被改变。
顶点着色器的输出语义词有：
1、COLOR:颜色
2、FOG:输入雾坐标
3、PSIZE
4、 POSITION
5、TEXCOORD0-TEXCOORD7
片段着色器的输入语义即为顶点着色器的输出语义。
片段着色器的输出语义如下：
1、COLOR：颜色
2、DEPTH：片段的深度
语言绑定的三种方法：
1、绑定语义放在函数的参数列表的参数声明后面中：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | [const][in|out|inout|uniform] void vert(float4 obj_position:POSITION， float4 obj_normal:NORMAL, out float4 outPos:POSITION， uniform float4 uColor:COLOR { ... } |
其中，const作为可选项，const修饰符同C和C++语言里的一样，表示这个变量的值是不能改变的；in、out、inout作为可选项，说明数据的调用方式；
uniform也是可选项，表示变量的值的初始化是来自外部应用程序；type是必选项，声明数据的类型；identifier是必选项，形参变量名:一个冒号“：”加上一个绑定语义，是可选项；最后是初始化参数，是可选项。
参数1、2、5绑定到输入语义；参数3、4绑定到输出语义；尽管参数1和3的绑定语义词一样，但前者是输入语义，后者是输出语义，所以这两个参数数据所对应存储的硬件位置是不一样的。
2、绑定语义可以放在结构体的成员变量后面：1 2 3 4 5 6 7 | Struct<struct-tag>{ };。 |
如在结构体vertexOutput中两个成员变量分别绑定语义SV_POSITOIN和TEXCOORD0，这个结构体在顶点程序vert中作为输出，为顶点程序的输出语义，同时顶点程序的输入即是片段程序的输入，该结构体也为片段程序的输出语义。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | struct vertexOutput { float4 pos : SV_POSITION; float4 col : TEXCOORD0; };vertexOutput vert(appdata_full input) { vertexOutput output; output.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, input.vertex); output.col = input.texcoord; return output; } float4 frag(vertexOutput input) : COLOR { return input.col; } |
1 2 3 | } |
如下面的代码中，片段程序的后面带有“COLOR”语义，表示该程序最后要返回一个颜色的值给GPU，所以在最后，返回的变量值类型是float4类型的。那这里为什么不直接使用float4呢，语义绑定，顾名思义绑定的变量是要有含义的，直接使用发咯float4就不能理解它到达表示什么含义，因为float4类型的变量可以是颜色、位置等。
1 2 3 4 5 | float4 frag(vertexOutput input) : COLOR { float4 oColor =float4(1,0,0,1); return oColor; } |
1 2 3 4 5 | float4 frag(vertexOutput input) : COLOR { float4 oColor =float4(1,0,0,1); return oColor; } |