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1、Unity提供的內建檔案和變數

上一篇我們學了一個簡單的頂點/片元著色器。複雜的著色器可能需要我們處理法線，光照，陰影等。為了方便開發者的編碼，Unity提供了很多內建檔案，包含了提前定義的函式、變數和巨集等。下面我們逐一講解。

內建包含檔案：類似於C++的include。在Unity中，包含檔案的字尾是.cginc。這樣我們就可以使用該包含檔案為我們提供的變數和函式。寫法如下：

CGPROGRAM

//...

#include "UnityCG.cginc"

//...

EndCG

這些檔案我們可以在官網下載（下載地址），在對應版本的下載的下拉框裡選內建著色器，下下來的樣子，這裡我用書上的截圖：

a、CGIncludes資料夾中包含的是內建的包含檔案。我們以後需要常去查閱一些內建函式的寫法，就在這裡找對應的包含檔案。

b、DefaultResources資料夾中包含了一些內建元件或功能所需要的Unity Shader。

c、DefaultResourcesExtra中包含了所有Unity內建的Shader，這也是我們常常光顧的地方，可以去學習並利用這些內建Shader。

d、Editor只包含了一個檔案，用於定義Unity5引入的Standard Shader所用的材質面板。

對於包含檔案我們也可以從Unity應用程式中找到CGIncludes資料夾。Mac位置：/Applications/Unity/Unity.app/Contents/CGIncludes；Windows位置：Unity安裝路徑/Data/CGIncludes。

下表給出了CGIncludes中主要的包含檔案以及他們的主要用處：

可以看出，像UnityShaderVariables.cginc和HLSLSupport.cginc，即使我們沒用#include包含進來，它們也會自動包含進來，例如UnityShaderVariables.cginc裡的UNITY_MATRIX_MVP，我們可以直接用。

UnityCG.cginc是最常接觸的包含檔案。我們常用的結構體和函式基本都在裡面。例如，我們可以直接使用其中預定義的結構體作為頂點著色器的輸入和輸出，如下：

此外，UnityCG.cginc也提供了一些常用的幫助函式。比如下面這些：

讀者感興趣可以自行閱讀他們的實現，這些我們在光照那裡會常用到，到時候可以回頭來查閱。

2、Unity提供的CG/HLSL語義

在前一篇的簡單的著色器中，我們看到了SV_POSITION，POSITION，COLOR0等。這些是CG/HLSL提供的語義。語義實際上就是一個賦給Shader輸入輸出的字串，這個字串表達了這個引數的含義。通俗的講，這些語義可以讓Shader知道從哪裡讀取資料，並把資料輸出到哪裡，這在Shader中是不可缺少的。

Unity為了方便對模型資料的傳輸，對一些語義進行了特別的規定。尤其是頂點著色器的輸入結構體，像POSITION，NORMAL，TANGENT，TEXCOORD0，Unity會自動識別這些語義，對應的把模型座標，法線，切線，第一組紋理座標賦給它們。但對於頂點著色器的輸出，也就是片元著色器的輸入結構體來說，我們可以自行決定一些語義傳遞的資料，比如我們在會常用TEXCOORD系列傳遞一些座標，顏色啥的資料，在這裡它就不是紋理座標了。

DirectX10以後，有了一種新的語義型別，就是系統數值語義（system-value semantics）。這類語義以SV開頭，SV代表系統數值。比如用SV_POSITION修飾頂點著色器的輸出變數pos，則pos就是齊次裁剪空間中的座標。這些語義描述的變數是不可以隨便賦值的，流水線需要使用它們完成特定的目的。比如SV_POSITION修飾的變數經過光柵化後會顯示在螢幕上。

下表總結了應用階段傳遞模型資料給頂點著色器是Unity常用的語義：

TEXCOORDn中n的數目和Shader Model有關，Shader Model 2（Unity預設的Shader Model版本）和3中，n等於8，Shader Model 4和5中，n等於16。通常一個模型的紋理座標組數不超過2，用TEXCOORD0和TEXCOORD1就夠了。在內建的結構體appdata_full中，最多使用6個紋理座標。

上圖是頂點著色器給片元著色器傳遞資料時用的語義，除了SV_POSITION有特別含義，其他語義沒有明確要求。也就是說我們可以存任何值到這些語義描述的變數中。通常我們習慣用TEXCOORDn來傳遞我們自定義的數值。

上圖是Unity中片元著色器的輸出語義。

3、Shader整潔之道

1）float、half還是fixed

在CG/HLSL中，有3種精度型別：float,half和fixed。這些精度將決定計算結果的數值範圍。如下表：

上面的精度並不是絕對正確的，尤其是在不同平臺和GPU上，實際精度可能與上面的範圍不一致。

a、大多數桌面GPU會按最高的浮點精度計算，也就是說float、half、fixed在這些平臺上是等價的。所以在PC上很難看出它們的不同。

b、重點是在移動平臺上，它們的精度範圍很重要，會導致運算速度有差異。如果做移動端產品，我們要確保在真正的移動裝置上驗證我們的Shader。

c、fixed精度實際上只在一些較舊的移動平臺上有用，在大多數現代GPU上，它們內部會把fixed和half當初同等精度對待。

儘管有上面的不同，但一個基本建議是，儘可能使用精度較低的型別，因為這可以優化Shader的效能，在移動平臺尤其重要。我們可以用fixed型別儲存顏色和單位向量，用half儲存較大精度範圍的資料，最差情況下用float。

2）避免不必要的計算

如果毫無節制的在Shader（尤其是片元著色器）中進行了大量計算，那麼我們可能很快就會收到Unity的錯誤提示：

temporary register limit of 8 exceeded

或

Arithmetic instruction limit of 64 exceeded; 65 arithmetic instructions needed to compile program

出現這些錯誤大多是因為我們在Shader中進行了過多的運算，使得需要的臨時暫存器數目或指令數目超過了當前可支援的數目。不同的Shader Target、不同的著色器階段，我們可用的臨時暫存器和指令數目不同。我們可以通過指定更高等級的Shader Target來消除這些錯誤。如下表：

注意，所有類似OpenGL的平臺（包括移動平臺）被當成是支援到Shader Model 3.0的。而WP8/WinRT平臺則只支援到Shader Model 2.0。

前面說的Shader Model是由微軟提出的一套規範，它們決定了Shader中各個特性的能力。而這些特性和能力體現在Shader能使用的運算指令數目、暫存器個數等各個方面。Shader Model等級越高，Shader的能力就越強。雖然這樣，但一個更好的方法是儘可能減少Shader中的運算，或通過預計算的方式提供更多資料。

3）慎用分支和迴圈

在各種程式語言中，類似分支、迴圈這樣的流程控制語言是最基礎的語法之一，但在Shader中，要對它們格外小心。

它們在GPU的實現和CPU有很大不同，在最壞的情況下，我們花在一個分支語句的時間相當於運算了所有分支語句的時間。所以我們不鼓勵使用流程控制語句，它們會降低GPU的並行處理操作。一個解決方案是我們儘量把計算向流水線上端移動，例如把片元著色器的運算放在頂點著色器，或在CPU預計算，把結果傳給Shader。如果非要用它們，建議是：

a、分支判斷語句中使用的條件變數最好是常數，不會發生變化。

b、每個分支中包含的操作指令儘可能少。

c、分支的巢狀層數儘可能少。