【遊戲渲染】Unity&Shader基礎篇-Cg語法,資料型別與關鍵字
1.2、Cg語法基礎
如C++、C#和Java等高階語言一樣，Cg語言也有自己的資料型別和關鍵字。掌握和理解這些關鍵字是寫好Cg程式的基礎。
1.2.1、Cg的資料型別與關鍵字
基本資料型別：Cg支援7種基本的資料型別
1、float，32位浮點資料，一個符號位。浮點資料型別被所有的圖形介面支援；
2、half，16位浮點資料；
3、int，32位整形資料
4，fixed，12位定點數，
5、bool,布林資料，被所有的圖形介面支援；
6、sampler*,紋理物件的控制代碼，分為sampler、sampler1D、sampler2D、sampler3D、samplerCUBE和samplerRECT。
內建的資料型別：基於基礎資料型別，如float3，表示float型別的三維向量；同理，bool2表示布林型別的二維向量。
注：向量最長不能超過四元，如float5 vector;//編譯錯誤
向量的賦值，float2 a=float(1.0,1.0); //編譯通過
float2 a=float(1.0f,1.0f); //編譯錯誤
float3 b=float(a,0.0); //編譯通過
矩陣資料型別，float1X1 m1; //即float m1，一維矩陣
float3X4 m34 //3*4階矩陣
注：X是字元，不是乘號，最大的維數為4*4階
矩陣的初始化 float 2*2 m22={1.0,2.0,3.0,2.3};
float3 x和floatx[3]是不同的，前者為向量是內建的資料型別，而陣列則是一種資料結構，不是內建的資料型別。
型別轉換：Cg中的型別轉換有強制轉換和隱式轉換；如果是隱式轉換則資料型別從低精度向高精度轉換。如：
float a=1.0;
half b=2.0;
float c=a+b; //等價於float c=a+(float)b；
Cg語言中可以對常量資料加上型別字尾表示該資料型別的資料，如：
float a=1.0h; //1.0h為half型別常量資料
這樣的字尾型別有三種：
f:表示float;
h:表示half;
x:表示fixed;
Swizzle操作符：Cg語言中的其他操作符和高階CPU語言C++類似，包括關係操作符、邏輯操作符和位移操作符以及條件操作符。而Swizzle操作符是Cg語言中特有的，它可以將一個向量的成員取出組成一個新的向量。對於座標或者角度等其他多維向量，Swizzle操作符（.)後接x、y、z、w分別表示原始向量的第一個、第二個、第三個和第四個元素；同樣，對於顏色可以後接r、g、b和a來表示同樣的索引。
例如：
float4(a,b,c,d).xwz 等價於 float(a,d,c)
float4(a,b,c,d).xxy 等價於 float(a,a,b)
注：Swizzle操作符只對結構體和向量使用，不能對陣列使用。
輸入資料關鍵字：Cg中輸入資料流一般分為兩類
1、varying 引數：在Cg程式中通過語義進行繫結變數， Cg語言提供了一組語義詞，用以表示引數是由頂點的那些資料初始化的，一旦這個變數使用了語義詞進行繫結，那麼這個變數值被初始化的同時也意味著它有了特殊的含義，如表示位置、法線等含義。語義提供了一種使用隨頂點變化或隨片段變化而變化的值來初始化Cg程式引數的方法，這些資料都是從應用程式輸入到GPU的資料，如頂點位置、法向量、紋理座標資料等。
2、Uniform引數：Uniform是用來限制一個變數的初始值的來源，當宣告一個變數為Uniform型別的時候，表示這個變數的初始值來自於外部的其他環境。除了獲取初始值的這點之外，Uniform關鍵字宣告的變數和其他變數是完全一樣的。通常用Uniform來定義一些與三維渲染有關的離散資訊資料，並通常不會隨著圖元資訊的變化而變化，如材質對光的反射資訊。Uniform表示一個引數，通常使用uniform表示函式的形參，不能定義一個uniform表示的區域性變數。
Unity的內建Uniform輸入引數如下：
uniform float4 _Time, _SinTime, _CosTime; // 時間量
uniform float4 _ProjectionParams; // x = 1 or -1 (如果投影翻轉就是-1)
// y = 近平面; z = 遠平面; w = 1/遠平面
uniform float4 _ScreenParams; // x = width; y = height; z = 1 +1/width; w = 1 + 1/height
uniform float3_WorldSpaceCameraPos;
uniform float4x4 _Object2World; //模型矩陣
uniform float4x4 _World2Object; // 模型矩陣的逆
uniform float4 _LightPositionRange; // xyz = pos, w = 1/range
uniform float4 _WorldSpaceLightPos0; // 光源的位置和方向
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_MVP; // 模型檢視投影矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_MV; // 模型檢視矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_V; // 檢視矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_P; // 投影矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_VP; // 檢視投影矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_T_MV; // 模型檢視矩陣的轉置矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_IT_MV; // 模型檢視矩陣的逆矩陣的轉置矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE0; // 貼圖紋理矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE1; //貼圖紋理矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE2; //貼圖紋理矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE3; //貼圖紋理矩陣
uniform float4 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT; // 環境色
這些變數在Unity中可以直接使用，本章第三節中將會展現如何在Unity中使用這些內建的Uniform變數。
1.2.2、輸入輸出和語義
輸入輸出：在第一節中我們瞭解到對於程圖形渲染管線，可程式設計控制的部分只有兩個，頂點著色器和片段著色器。對於程式設計控制這兩個部分，首要的任務就是要怎麼給它們傳引數。Cg語言的引數傳遞同樣也有“值傳遞”和“引用傳遞”之分。因為GPU不支援指標，所以Cg語言採用瞭如下的方式來修辭引數傳遞：
1、in:修辭一個形參只是用於輸入，進入函式體時被初始化，且該形參值的改變不會影響實參值，傳遞方式為值傳遞。
2、out:修辭一個形參只是用於輸出，進入函式體時沒有被初始化，一般為函式的返回值。
3、inout:修辭一個形參即用於輸入也用於輸出，這是典型的引用傳遞。
語義：表示圖元資料的含義（頂點的位置、法向量或者紋理資訊），也表明這些圖元資料存放的硬體資源。因為頂點著色器的輸出即是片段著色器的輸入，所以頂點著色器的輸出必須和片段著色器的輸入語義是一致的。語義是頂點程式和片段程式之間輸入\輸出資料和暫存器之間的橋樑，因此語義只對這兩個處理階段有意義，並且只在入口函式才有效，在內部函式無效。語義概念的提出和圖形流水線工作機制大有關係。從前面所講的GPU處理流程中可以看出，一個階段處理資料，然後傳輸給下一個階段，那麼每個階段之間的介面是如何確定的呢？例如：頂點處理器的輸入資料是處於模型空間的頂點資料（位置、法向量），輸出的是投影座標和光照顏色；片段處理器要將光照顏色做為輸入，問題是“片段處理器怎麼知道光照顏色值的存放位置”。在高階語言中（C/C++），資料從介面的一端流向另一端，是因為提供了資料存放的記憶體位置（通常是指標資訊）；由於Cg 語言並不支援指標機制，且圖形硬體處理過程中，資料通常暫存在暫存器中，故而在Cg 語言中，通過引入語義繫結（binding semantics）機制，指定資料存放的位置，實際上就是將輸入\輸出資料和暫存器做一個對映關係（在OpenGL Cg profiles 中是這樣的，但在DirectX-based Cgprofiles 中則並沒有這種對映關係）。根據輸入語義，圖形處理器從某個暫存器取資料；然後再將處理好的資料，根據輸出語義，放到指定的暫存器。
語義詞和語義繫結：Unity的頂點著色器（程式）中常用的語言詞有如下：
1、POSITION\SV_POSITION :模型座標的位置,
2、TANGENT:正交於表面法線的向量
3、NORMAL:表面法線向量，需要進行歸一化
4、TEXCOORDi：第i組紋理座標（也即UV座標，座標範圍在0~1之間）,i是0~7中的一個數字
5、COLOR:顏色
6、PSIZE:點的大小
7、BLENDINDICES：通用屬性，可以用它和TANGENT來替換TEXCOORDi
注：SV_POSTION和POSTION的唯一區別是用在頂點著色器中作為輸出語義時，SV_POSTION表示的頂點位置會被固定，不能被改變。如果作為片段著色器的輸入語義就是一樣的，都可以被改變。
頂點著色器的輸出語義詞有：
1、COLOR:顏色
2、FOG:輸入霧座標
3、PSIZE
4、 POSITION
5、TEXCOORD0-TEXCOORD7
片段著色器的輸入語義即為頂點著色器的輸出語義。
片段著色器的輸出語義如下：
1、COLOR：顏色
2、DEPTH：片段的深度
語言繫結的三種方法：
1、繫結語義放在函式的引數列表的引數聲明後面中：
| 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作為可選項，const修飾符同C和C++語言裡的一樣，表示這個變數的值是不能改變的；in、out、inout作為可選項，說明資料的呼叫方式；
uniform也是可選項，表示變數的值的初始化是來自外部應用程式；type是必選項，宣告資料的型別；identifier是必選項，形參變數名:一個冒號“：”加上一個繫結語義，是可選項；最後是初始化引數，是可選項。
引數1、2、5繫結到輸入語義；引數3、4繫結到輸出語義；儘管引數1和3的繫結語義詞一樣，但前者是輸入語義，後者是輸出語義，所以這兩個引數資料所對應儲存的硬體位置是不一樣的。
2、繫結語義可以放在結構體的成員變數後面：| 1 2 3 4 5 6 7 |
Struct<struct-tag>
{
[:binding-semantic>];
};。
|