【Unity Shader】---經常使用幫助函數、結構體和全局變量

1、內置包含文件

　　Unity中有相似於C++的包含文件.cginc，在編寫Shader時咱們能夠使用#include指令把這些文件包含進來
這樣咱們就能夠使用Unity爲咱們提供的一些很是好用的函數、宏和變量。

例如：#include"UnityCG.cginc"

包含文件的位置：根目錄\Editor\Data\CGIncludes

知識點1：如下是Unity中經常使用包含文件：
　　文件名 描述
　　一、UnityCG.cginc 包含最經常使用的幫助函數、宏和結構體
　　二、UnityShaderVariables.cginc 在編譯Shader時，會被自動包含進來，包含了許多內置的全局變量，如UNITY_MATRIX_MVP
　　三、Ligghting.cginc 包含了各類內置光照模型，若是編寫SurfaceShader的話，會被自動包含進來
　　四、HLSLSurport.cginc 在編譯Shader時，會被自動包含進來，聲明瞭不少跨平臺編譯的宏和定義

　　Unity5.2引入了許多新的重要的包含文件，如UnityStandardBRDF.cginc等。這些文件用於實現基於物理的渲染

知識點2：UnityShader中經常使用的結構體

　　　　名稱 　　　　　　　　 描述 　　　　　　　　　　　　　包含的變量
　　appdata_base 　　　　用於頂點着色器輸入 　　　　 頂點位置、頂點法線、第一組紋理座標
　　appdata_tan 　　　　 用於頂點着色器輸入 　　　　 頂點位置、頂點切線、頂點法線、第一組紋理座標
　　appdata_full 　　　　用於頂點着色器輸入 　　　　 頂點位置、頂點切線、頂點法線、四組（或更多）紋理座標
　　appdata_img 　　　　 用於頂點着色器輸入 　　　　 頂點位置、第一組紋理座標
　　v2f_img 　　　　　　 用於頂點着色器輸出 　　　　 裁剪空間中的位置、紋理座標

struct appdata_img
{
　　float4 vertex : POSITION;
　　half2 texcoord : TEXCOORD0;
};

struct appdata_base 
{
　　float4 vertex : POSITION;
　　float3 normal : NORMAL;
　　float4 texcoord : TEXCOORD0;
};

struct appdata_tan 
{
　　float4 vertex : POSITION;
　　float4 tangent : TANGENT;
　　float3 normal : NORMAL;
　　float4 texcoord : TEXCOORD0;
};

struct appdata_full 
{
　　float4 vertex : POSITION;
　　float4 tangent : TANGENT;
　　float3 normal : NORMAL;
　　float4 texcoord : TEXCOORD0;
　　float4 texcoord1 : TEXCOORD1;
　　float4 texcoord2 : TEXCOORD2;
　　float4 texcoord3 : TEXCOORD3;
#if defined(SHADER_API_XBOX360)
　　half4 texcoord4 : TEXCOORD4;
　　half4 texcoord5 : TEXCOORD5;
#endif
　　fixed4 color : COLOR;
};

struct v2f_img
{
　　float4 pos : SV_POSITION;
　　half2 uv : TEXCOORD0;
};

知識點3：UnityShader中經常使用的幫助函數

　　　　　　函數名 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 描    述
float3 WorldSpaceViewDir(float4 v) 　　　　 　　  輸入一個模型頂點座標，獲得世界空間中從該點到攝像機的觀察方向
float3 ObjSpaceViewDir(float4 v) 　　　　　　 　  輸入一個模型頂點座標，獲得模型空間中從該點到攝像機的觀察方向
float3 WorldSpaceLightDir(float4 v) 　　　　　　   輸入一個模型頂點座標，獲得世界空間中從該點到光源的光照方向（方向沒有歸一化，且只可用於前向渲染）
float3 ObjSpaceLightDir(float4 v) 　　　　　　 　  輸入一個模型頂點座標，獲得模型空間中從該點到光源的光照方向（方向沒有歸一化，且只可用於前向渲染）
float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm)　　將法線從模型空間轉換到世界空間
float3 UnityObjectToWorldDir(in float3 dir) 　　　   把方向矢量從模型空間轉換到世界空間
float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir) 　　　　   把方向矢量從世界空間轉換到模型空間

知識點4：UnityShader中內置變量
                                                                     Unity內置變換矩陣
           變量名                                                                             描         述
UNITY_MATRIX_MVP 　　　　     當前模型*觀察*投影矩陣，用於將模型頂點/方向矢量從模型空間轉換到裁剪空間
UNITY_MATRIX_MV 　　　　　   當前模型*觀察矩陣，用於將模型頂點/方向矢量從模型空間轉換到觀察空間
UNITY_MATRIX_V 　　　　　　  當前觀察矩陣，用於將頂點/方向矢量從世界空間變換到觀察空間
UNITY_MATRIX_P 　　　　　　  當前投影矩陣，用於將頂點/方向矢量從觀察空間變換到裁剪空間
UNITY_MATRIX_VP 　　　　　　當前觀察*投影矩陣，用於將頂點/方向矢量從世界空間變換到裁剪空間
UNITY_MATRIX_T_MV 　　　　  UNITY_MATRIX_MV轉置矩陣
UNITY_MATRIX_IT_MV 　　　　 UNITY_MATRIX_MV逆轉置矩陣，可將法線矢量從模型空間轉換到觀察空間
_Object2World 　　　　　　　　 當前模型的矩陣，用於將模型頂點/方向矢量從模型空間轉換到世界空間
_World2Object 　　　　　　         _Object2World逆矩陣，用於將模型頂點/方向矢量從世界空間轉換到模型空間

另外：Unity還提供了可以訪問時間、光照、霧效和環境光等目的的變量。這些內置變量大多UnityShaderVariables.cginc中，
跟光照有關的還定義在Lighting.cginc 和AutoLight.cginc中。

知識點5：

一、uint CreateShader(enum type) : 建立空的shader object; 
  type: VERTEX_SHADER, 
二、void ShaderSource(uint shader, sizeicount, const **string, const int *length)：加載shader源碼進shader object；可能多個字符串 
三、void CompileShader(uint shader)：編譯shader object； 
  shader object有狀態 表示編譯結果 
四、void DeleteShader( uint shader )：刪除 shader object; 
五、void ShaderBinary( sizei count, const uint *shaders, 
enum binaryformat, const void *binary, sizei length ): 加載預編譯過的shader 二進制串； 
六、uint CreateProgram( void )：建立空的program object， programe object組織多個shader object，成爲executable; 
七、void AttachShader( uint program, uint shader )：關聯shader object和program object； 
八、void DetachShader( uint program, uint shader )：解除關聯； 
九、void LinkProgram( uint program )：program object準備執行，其關聯的shader object必須編譯正確且符合限制條件； 
十、void UseProgram( uint program )：執行program object； 
十一、void ProgramParameteri( uint program, enum pname, 
int value )： 設置program object的參數； 
十二、void DeleteProgram( uint program )：刪除program object； 
1三、shader 變量的qualifier: 
   默認：無修飾符，普通變量讀寫， 與外界無鏈接； 
   const：常量 const vec3 zAxis = vec3(0.0, 0.0, 1.0); 
   attribute: 申明傳給vertex shader的變量；只讀；不能爲array或struct；attribute vec4 position; 
   uniform: 代表整個圖元處理中值相同；只讀； uniform vec4 lightPos; 
   varying: 被差值；讀寫； varying vec3 normal; 
   in, out, inout; 

shader變量的精度： 
   highp, mediump, lowp 

shader內置變量： 
   gl_Position: 用於vertex shader, 寫頂點位置；被圖元收集、裁剪等固定操做功能所使用； 
                其內部聲明是：highp vec4 gl_Position; 
   gl_PointSize: 用於vertex shader, 寫光柵化後的點大小，像素個數； 
                其內部聲明是：mediump float gl_Position; 
   gl_FragColor: 用於Fragment shader，寫fragment color；被後續的固定管線使用； 
                 mediump vec4 gl_FragColor; 
   gl_FragData: 用於Fragment shader，是個數組，寫gl_FragData[n] 爲data n；被後續的固定管線使用； 
                 mediump vec4 gl_FragData[gl_MaxDrawBuffers]; 
   gl_FragColor和gl_FragData是互斥的，不會同時寫入； 
   gl_FragCoord: 用於Fragment shader,只讀， Fragment相對於窗口的座標位置 x,y,z,1/w; 這個是固定管線圖元差值後產生的；z 是深度值; mediump vec4 gl_FragCoord; 
   gl_FrontFacing: 用於判斷 fragment是否屬於 front-facing primitive；只讀； 
                   bool gl_FrontFacing;   
   gl_PointCoord: 僅用於 point primitive; mediump vec2 gl_PointCoord; 

shader內置常量： 
   const mediump int gl_MaxVertexAttribs = 8; 
   const mediump int gl_MaxVertexUniformVectors = 128; 
   const mediump int gl_MaxVaryingVectors = 8; 
   const mediump int gl_MaxVertexTextureImageUnits = 0; 
   const mediump int gl_MaxCombinedTextureImageUnits = 8; 
   const mediump int gl_MaxTextureImageUnits = 8; 
   const mediump int gl_MaxFragmentUnitformVectors = 16; 
   const mediump int gl_MaxDrawBuffers = 1; 

shader內置數學函數： 
   通常默認都用弧度； 
   radians(degree) : 角度變弧度； 
   degrees(radian) : 弧度變角度； 
   sin(angle), cos(angle), tan(angle) 
   asin(x): arc sine, 返回弧度 [-PI/2, PI/2]; 
   acos(x): arc cosine,返回弧度 [0, PI]; 
   atan(y, x): arc tangent, 返回弧度 [-PI, PI]; 
   atan(y/x): arc tangent, 返回弧度 [-PI/2, PI/2]; 
  
   pow(x, y): x的y次方； 
   exp(x): 指數, log(x)： 
   exp2(x): 2的x次方， log2(x): 
   sqrt(x): x的根號； inversesqrt(x): x根號的倒數 
  
   abs(x): 絕對值 
   sign(x): 符號, 1, 0 或 -1 

    {sign(x)或者Sign(x)叫作符號函數，在數學和計算機運算中，其功能是取某個數的符號(正或負): 
    當x>0，sign(x)=1; 
    當x=0，sign(x)=0; 
    當x<0， sign(x)=-1;}    floor(x): 底部取整 
   ceil(x): 頂部取整 
   fract(x): 取小數部分 
   mod(x, y): 取模， x - y*floor(x/y) 
   min(x, y): 取最小值 
   max(x, y): 取最大值 
   clamp(x, min, max):  min(max(x, min), max); 
   mix(x, y, a): x, y的線性混疊， x(1-a) + y*a; 
   step(edge, x): 如 x 
   smoothstep(edge0, edge1, x): threshod  smooth transition時使用。 edge0<=edge0時爲0.0， x>=edge1時爲1.0 
  
   length(x): 向量長度 
   distance(p0, p1): 兩點距離， length(p0-p1); 
   dot(x, y): 點積，各份量分別相乘 後 相加 
   cross(x, y): 差積，x[1]*y[2]-y[1]*x[2], x[2]*y[0] - y[2]*x[0], x[0]*y[1] - y[0]*x[1] 
   normalize(x): 歸一化， length(x)=1; 
   faceforward(N, I, Nref): 如 dot(Nref, I)< 0則N, 不然 -N 
   reflect(I, N): I的反射方向， I -2*dot(N, I)*N, N必須先歸一化 
   refract(I, N, eta): 折射，k=1.0-eta*eta*(1.0 - dot(N, I) * dot(N, I)); 如k<0.0 則0.0，不然 eta*I - (eta*dot(N, I)+sqrt(k))*N 
  
   matrixCompMult(matX, matY): 矩陣相乘, 每一個份量 自行相乘， 即 r[j] = x[j]*y[j];                                矩陣線性相乘，直接用 *          lessThan(vecX, vecY): 向量 每一個份量比較 x < y     lessThanEqual(vecX, vecY): 向量 每一個份量比較 x<=y     greaterThan(vecX, vecY): 向量 每一個份量比較 x>y     greaterThanEqual(vecX, vecY): 向量 每一個份量比較 x>=y     equal(vecX, vecY): 向量 每一個份量比較 x==y     notEqual(vecX, vexY): 向量 每一個份量比較 x!=y     any(bvecX): 只要有一個份量是true， 則true     all(bvecX): 全部份量是true， 則true     not(bvecX): 全部份量取反        texture2D(sampler2D, coord): texture lookup     texture2D(sampler2D, coord, bias): LOD bias, mip-mapped texture     texture2DProj(sampler2D, coord):     texture2DProj(sampler2D, coord, bias):     texture2DLod(sampler2D, coord, lod):     texture2DProjLod(sampler2D, coord, lod):     textureCube(samplerCube, coord):     textureCube(samplerCube, coord, bias):     textureCubeLod(samplerCube, coord, lod):