之前我們通過觀察一個最簡單的CG shader，詳細的學習了CG shader關鍵程式碼的執行機制，這一篇我們就要通過unity引擎的shader上下文環境，觀察並理解其他細節程式碼的作用。

        首先貼上CG shader程式碼，這一篇主要圍繞這個程式碼進行學習，如下：

Shader "Unlit/TextureUnlitShader"
{
	Properties
	{
		_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
	}
	SubShader
	{
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 100

		Pass
		{
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "UnityCG.cginc"

			struct appdata
			{
				float4 vertex : POSITION;
				float2 uv : TEXCOORD0;
			};

			struct v2f
			{
				float2 uv : TEXCOORD0;
				float4 vertex : SV_POSITION;
			};

			sampler2D _MainTex;
			
			v2f vert (appdata v)
			{
				v2f o;
				o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
				return o;
			}
			
			fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
			{
				fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
				return col;
			}
			ENDCG
		}
	}
}
 

         上面的CG shader只完成一個簡單的圖片渲染顯示功能，但是細節很值得學習，接下來我就逐一講解結合unity CG上下文的shader每一句話都是什麼意思。

         首先說一下，nvidia是CG的締造者，其他各個三維引擎或者工具都必須按照CG的基本規範去實現自己的CG編譯器以及類似程式設計語法，比如我最愛的unity3d和rendermonkey（我不愛ue4的原因是ue4實在是太慢了，儲存umap慢，編譯構建慢等，之前用ue4的日子旁邊都是放了一本書，凡是ue4在那操作阻塞著，我就看書玩，實在愛不起來）。那麼我們現在用unity寫CG shader，就得按照unity的那一套語法編譯規範寫程式碼了，上面的程式碼就是一個很標準的語法對照了，只要我們完全理解程式碼的每個詞彙，就達到目標了。

         so，我們開始咬文嚼字吧：

         ①.Shader{}包體。

Shader "Unlit/TextureUnlitShader"
{
     //do something
}

     類似c++或c#的class，將具體的shader程式碼封裝，Shader讓CG編譯器識別這是一個shader程式碼的起始標籤，“Unlit/TextureUnlitShader”就是shader名稱的標識。

        ②.Properties{}屬性欄位

Properties
{
	_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
}
 

         類似c++的public:修飾字段，如下：

class Texture
{
	//這是一個貼圖類
};

class MainTest
{
public:
	float cg_float;
	Texture* cg_MainTex;

};

        這是一段模擬程式碼，和CG程式碼沒有任何關聯，我為什麼用c++/c#作為演示程式碼呢，首先就是我們大概接觸最早的就是c/c++了，因為學校裡面最開始學習就是從c開始，其次我們作為unity開發，c#當然也是很熟悉啦。最後就算我用很詳細的文字講解程式碼意義，有的時候還是不如來一段演示程式碼讓人更能理解其中的含義。

          Properties{}就類似Public:，在其中定義我們需要的屬性欄位，可以供外部訪問，比如我們定義一張texture2D。

          _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}，此時unity CG編譯器在識別出Properties後，緊接著解析其中封裝的屬性欄位，當解析到這段程式碼後，其中程式碼意義分解如下：

                 ①._MainTex標識了該texture2D在shader中的欄位名稱。

                 ②.("Texture", 2D)標識了該texture2D在unity 編輯面板中ui顯示字串"Texture"，2D則標識型別為texture2D。

                 ③.= "white" {}標識了該texture2D預設為白色，當然我們可以改成red紅色。

         ps：②中我說了unity編輯面板ui顯示，這裡可以通過官網下載的內建著色器中editor中的StandardShaderGUI.cs檔案檢視具體顯示細節。

          當然，Properties不僅僅只能定義一個texture2D，還能定義其他的，比如_MainFloat("Float",float) = 0.5，定義一個float值，當然還有其它的，我們以後用到的時候再看。

     ③.SubShader{}包體

SubShader
{
    //do something
}

        官方對SubShader的解釋是封裝一系列渲染pass和所有pass通用的標籤和狀態的包體，一個主Shader可以包含多個SubShader，為什麼主Shader可以包含多個SubShader的原因是，前面我們說了Profile的概念，也就是說因為實際GPU硬體種類太多，為了保證該主Shader可以在多種多樣的GPU上執行，所以可能需要寫多個可以執行的SubShader，然後實際runtime執行時按照順序查詢到一個能執行SubShader去執行相應的渲染效果，假如都不能執行，就Fallback "Diffuse"，意思就是回滾到最基本的Diffuse渲染，保證至少不出問題。

     ④.SubShader中標籤和狀態

Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 100
Cull back

     這些標籤和狀態鍵值對，被CG編譯器識別，主要作用是標識後續渲染pass該什麼時候並且怎麼樣被CG runtime渲染。

     比如上面三句程式碼含義如下：

             ①.Tags { "RenderType"="Opaque" } 標識了渲染型別為Opaque，什麼意思呢？就是代表這個渲染型別定義為不透明著色器，unity CG庫提供了多種適用於不同環境的渲染型別，具體的後面會談到。

              ②.LOD 100，LOD全稱level of detail，,設定一個100是個什麼意思呢？這裡代表一種shader渲染細節技術，假如我們的主Shader包含多個SubShader，每個SubShader的LOD 為不同的值，假如為100、200、300，那麼我們在c#程式碼中通過Shader.globalMaximumLOD = 100;控制全域性LOD最大值，來顯示不同LOD shader的渲染。有興趣的小夥伴可以自己測試下，我就不貼圖了。

             ③.Cull back，Cull也是渲染剔除的意思，設定back代表背面剔除渲染，那樣的話實際上我們的shader只渲染了一個正面，節省一半的資源，當然我們也可以設定front剔除正面，或者off關閉，直接渲染雙面。

             ps：當然還有其他一些不同功能的tag和state，後面具體是用到再講還是直接一次性列出待定，不過這裡我們明白這些tag和state的語法意義就行了。

 ⑤.Pass{}渲染通道

      從這裡開始就是正式開始進入CG渲染了，Pass{}封裝當前SubShader著色器具體的渲染邏輯，我們的頂點函式，片段函式，表面光照函式就是在其中具體實現，下面開始逐一分解每一句程式碼的具體意義：

           ①.CGPROGRAM開始和ENDCG結束，這個只是CG編譯器的語法規範之一，代表開始編譯或解析CG程式碼到結束，類似#region #endregion程式碼塊。

           ②.#pragma vertex vert和#pragma fragment frag（當然還包含#pragma surface surf YangLightModel）這裡就是預編譯頂點函式和片段函式(表面光照函式)，代表後面的vert和frag為我們要去具體開發實現的頂點和片段函式。

           ③.#include "UnityCG.cginc"和c包含標頭檔案一樣，這裡引入了UnityCG.cginc這個檔案（這個檔案可以在下載的內建著色器CGIncludes資料夾中找到），因為我們需要用到unity CG runtime給我們提供的GPU硬體資源資料和各種圖形處理函式，都在這個檔案可以看到，這裡我也不貼程式碼了，小夥伴們務必自己開啟看一下。

            ④.appdata和v2f結構體，如果小夥伴們是按照順序看我的部落格，那麼對這兩個結構體及其包含的語義繫結欄位有詳細的理解。額外要說的另外一個語義TEXCOORD0，前面的TEXCOORD代表了紋理座標，0則代表了第0通道紋理座標，大部分情況下顯示卡支援4套紋理通道給我們開發使用，語義分別是TEXCOORD0，TEXCOORD1，TEXCOORD2，TEXCOORD3，我們可以對紋理座標進行位移操作並儲存到任意0-3的TEXCOORD。SV_POSITION則等價於POSITION，SV_字首代表system value，我查到的解釋是，當使用SV_POSITION繫結vertex頂點函式輸出時，那麼頂點座標在vertex頂點函式return後就被固定了，直接進入光柵處理階段，不可更改。

                by the way，順便畫圖描敘一下TEXCOORD作為紋理座標語義輸入時的uv：貼圖座標系，如下圖：

                可以認為，小貓貼圖的uv就是從(0,0)到(1,1)，(m,n)為其中一個取樣顏色color值，繫結TEXCOORD語義輸入時，float2 uv值就被傳入(0,0)插值到(1,1)。

           ⑤.sampler2D _MainTex;，這句程式碼要和Properties{}對應，是定義獲取_MainTex這個texture2D物件，當然CG程式碼中型別名為sampler2D，定義好後sampler2D物件後，提供後續函式使用。

           ⑥.float4 _MainTex_ST;，這句程式碼可能讓小夥伴們迷惑，咱們又沒在Properties{}中定義_MainTex_ST這個外部變數，怎麼突然就蹦出來了這個東西？實際上這是和_MainTex相關的變數，代表了_MainTex的Scale和Translate，這是我從官方看到的解釋，Scale縮放則對應unity編輯器ui面板上的Tiling，Translate位移則對應其Offset，屬於unity CG編譯器為我們提供的texture2D預設附帶的變數欄位。

           ⑦.vert頂點函式，我直接在程式碼中進行註釋講解 ，如下：

v2f vert (appdata v)
{
	v2f o;
	//將unity CG底層提供的模型頂點座標源資料變換到裁剪空間
	//UnityObjectToClipPos這個cg內建函式相當於mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
	o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
	// Transforms 2D UV by scale/bias property
    // #define TRANSFORM_TEX(tex,name) (tex.xy * name##_ST.xy + name##_ST.zw)
	//上面是UnityCG.cginc的TRANSFORM_TEX巨集函式定義，實際上使用到了_MainTex_ST欄位，意思就是將_MainTex_ST帶入紋理uv的運算
	o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
	return o;
}

            ⑧.frag片段函式，解釋如下：

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
	//tex2D為取樣函式，具體意思就是根據uv值對一張紋理進行逐點顏色color值獲取，並在片段函式返回並渲染
	fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
	return col;
}

           上面那張小貓圖，其中動點(m,n)進行tex2D取樣的話，就是返回了不同座標下小貓圖的畫素顏色值，並傳遞給col且return渲染。

          ⑨.Fallback "Diffuse"，這就是unity CG編譯器就行的容錯處理了，假如我們的CG shader執行在一個很低端古老的的GPU而顯示不出來，就回滾為Diffuse著色器，反正所有CPU都支援這個。

       以上就是對一個unity CG shader非常詳細的講解，目的就是為了大家能輕鬆理解後續的複雜的高階著色器。

       最後還要重複羅嗦一句，學習CG shader必須按照圖形流水線上下文來觀察理解，比如流水線頂點到光柵到片段處理順序流程，同時頂點函式和片段函式處理的輸入輸出的GPU硬體資源資料是動態變化的，比如模型頂點源座標和紋理座標等動態變化的資料，我們心裡要有這些概念才能學好CG shader。

       so，接下來繼續深入。