Unity Shader 学习（二）：初识ShaderLab -- 以“Unlit Shader”模板为例 02
前言一、Unlit Shader 模板中的函数1. UnityObjectToClipPos2. TRANSFORM_TEX3. tex2D
二、CGInclude中的数据结构1. 顶点着色器输入结构2. 片元着色器输入结构
三、Cg/HLSL中用到的函数方法1. 构造函数（向量类型）
前言
上一篇：Unity Shader 学习（一）：初识ShaderLab – 以“Unlit Shader”模板为例 01
在Unlit Shader模板中引用了UnityCG.cginc中的很多宏和函数方法，这篇继续学习模板中的几个函数以及UnityCG.cginc中一些可能会用到的结构；最后再了解一些自己写Shader时大概率会用到的Cg/HLSL函数方法。
一、Unlit Shader 模板中的函数
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
// UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
// sample the texture
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
// apply fog
// UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
return col;
}
有两个方法：UnityObjectToClipPos、tex2D；一个宏：TRANSFORM_TEX。
1. UnityObjectToClipPos
这个方法的定义在UnityShaderUtilities.cginc中：
注释：（inline、in这些关键字，是Cg的语法，参考：Cg_language）
// Tranforms position from object to homogenous space
方法的含义是：把顶点坐标从对象空间转换到齐次裁剪空间，是一个坐标变换方法；这正是渲染流程中顶点着色器阶段的主要工作之一。
2. TRANSFORM_TEX
这个宏的定义在UnityCG.cginc中：
模板中的顶点着色器函数等价于：
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
v2f vert (appdata v)
{
...
o.uv = v.uv.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
...
}
这下知道了为什么模板中要定义一个看起来没有被调用过的变量_MainTex_ST，其实是藏在宏里了。
_MainTex_ST的含义，就是纹理的一个额外属性：缩放和偏移值。
注释：
// Transforms 2D UV by scale/bias property
方法的含义是：顶点uv和Tiling、Offset两个属性值进行运算，计算出实际显示时的顶点uv。
在Material上能看到：
Tiling：对应scale property，表示纹理放置比例，X和Y通过_MainTex_ST.xy读取；Offset：对应bias property，表示纹理位置偏移量，X和Y通过_MainTex_ST.zw读取。
更好的理解，可参考：Unity中Material的“Tiling" 和 "Offset"参数介绍
3. tex2D
这个方法是Cg/HLSL语言内置的。
官方文档：
tex2D - Nvidiatex2D (HLSL 参考)
方法的含义是：查找并返回在采样纹理（_MainTex）的（i.uv）坐标处的颜色值；即纹理采样。
sampler2D _MainTex;
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
// sample the texture
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
...
}
更好的理解，可参考：
【unity Shader 学习笔记】3-3纹理采样（了解 Wrap Mode）UnityShader关键字：tex2D(sampler2D,float2) 和 _MainTex_ST（了解 Filter Mode）
拓展：使用采样器状态 - Unity Manual
以上，是 Unlit Shader 模板中使用到的方法，也是在顶点着色器和片元着色器阶段非常核心的方法。
二、CGInclude中的数据结构
这里暂时只了解一些输入输出结构，更多请参考：
（二）unity自带的着色器源码剖析之—UnityCG.cginc文件（上篇）（三）unity自带的着色器源码剖析之—UnityCG.cginc文件（下篇）
1. 顶点着色器输入结构
顶点着色器输入结构appdata，是模板中自定义的，里面只有两个属性：
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
// UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
return o;
}
实际上，顶点着色器输入的顶点数据远不止这些，只不过是有些输入的属性暂时用不到，被无视了；在UnityCG.cginc中，还提供了其它几种输入结构，这里只列出最全的那个：
struct appdata_full
{
float4 vertex : POSITION; // 顶点坐标
float4 tangent : TANGENT; // 切线向量
float3 normal : NORMAL; // 法线向量
float4 texcoord : TEXCOORD0; // 第一套纹理坐标
float4 texcoord1 : TEXCOORD1; // 第二套纹理坐标
float4 texcoord2 : TEXCOORD2; // 第三套纹理坐标
float4 texcoord3 : TEXCOORD3; // 第四套纹理坐标
fixed4 color : COLOR; // 顶点颜色
UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID // 即：uint instanceID : SV_InstanceID;
};
可以看到appdata_img类似于模板自定义的appdata，只不过多了一个UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID：
把上面模板的顶点着色器函数改写成：
v2f vert (appdata_img v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
// UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
return o;
}
至于这个UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID到底是什么，再深入学习就是另外一个话题了，仅做拓展了解：
GPU 实例化SV_InstanceID
2. 片元着色器输入结构
与上面顶点着色器输入同理，模板自定义了v2f结构：
struct v2f
{
float2 uv : TEXCOORD0;
// UNITY_FOG_COORDS(1)
float4 vertex : SV_POSITION;
};
v2f vert (appdata v) // 顶点着色器
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
// UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target // 片元着色器
{
// sample the texture
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
// apply fog
// UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
return col;
}
同样，片元着色器输入的数据也不是只有两个，比如UnityCG.cginc中的v2f_vertex_lit，就定义了两个颜色值表示顶点漫反射颜色（diff）和镜面反射颜色（spec）；
顶点着色器函数输入变量appdata v的赋值过程是不可见的，只能直接调用；与之不同的是，输出变量v2f o的赋值过程是开发者自己写的：
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
因此，顶点着色器输出/片元着色器输入的结构v2f定义自由度比较高，没有什么统一的模板结构；结构中属性的数量、每个属性的含义可由开发者灵活定义，想输出什么，就定义什么，当然，想输出的值由自己在顶点着色器函数中计算求得。
这可能是Unity内置CGInclude文件中顶点着色器输出/片元着色器输入结构不多的原因：通用性不强；即使是已有的两个结构：v2f_vertex_lit、v2f_img也是Unity为了实现某些方法自己定义的：
如果一定要将自己定义的v2f改为v2f_img，除了不再支持原来的雾效相关代码之外，没什么区别，因为赋值都是一样的：
v2f_img vert (appdata v)
{
v2f_img o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
return o;
}
fixed4 frag (v2f_img i) : SV_Target
{
// sample the texture
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
// v2f_img中没有UNITY_FOG_COORDS(1)，i.fogCoord也就不存在了
return col;
}
如果不是要用到某些CGInclude文件中特定的方法，函数的输入输出结构自己定义或者不定义结构直接写多参数函数（参考：自定义着色器基础 - Unity Manual）就可以。
三、Cg/HLSL中用到的函数方法
1. 构造函数（向量类型）
在学习各种内置函数之前，先学会最基础、最常用的函数：向量类型的构造函数。
根据Cg的语法，构造一个向量有两种方式：
对每个分量逐一赋值构造： float2 v2 = float2(0, 1);
half3 v3 = half3(-1, 1.1, 0);
fixed4 v4 = fixed4(1, 0, -1.0, 0);
注意：每个分量都要给一个确定的值，与C#不同，内部的构造函数不会自动补零; 在C#中也许可以这样写： Vector4 vector = new Vector4(1, 1); // 构造函数内部默认把z、w分量设置为0了
但是在Cg/HLSL中，这样写会编译错误的： fixed4 v4 = fixed4(1, 1); // 错误写法，编译不通过
基于其它向量构造：（最常用） float2 v2 = float2(0, 1);
float3 v3 = float3(v2,1); // float3 v3 = float3(1,v2);
float4 v4 = float4(v3,1); // float4 v4 = float4(1,v3); // float4 v4 = float4(v2,v2); // float4 v4 = float4(1,v2,1);
低维向量按任意顺序组合成高维向量，只需要保证：3=1+2，4=1+3、2+2或1+1+2； 即使精度不同也可以构造，而且低精度可以构造高精度，高精度也可以构造低精度，以上面为例： fixed4 v4 = fixed4(1, 0, -1, 0);
half3 v3 = half3(v4.xy, 1);
float2 v2 = float2(v3.z, v4.w);
float2 v2 = float2(0, 1);
half3 v3 = half3(v2, 1);
fixed4 v4 = fixed4(1, v3);
当然，同一维度不同精度类型向量之间也可以互相转换： float2 v2 = fixed2(1, 1);
half3 v3 = float3(v2, 0);
float4 v4 = half4(v3, 0);
这里有一点要说明的是，不同维度向量类型之间的转换（同样不用担心精度问题）：
高维向量转换为低维向量，显式或隐式转换： fixed4 v4 = fixed4(1, 0, 1, 0);
half3 v3 = v4; // v4.xyz // 这样写也可以：half3 v3 = (half3)v4
float2 v2 = v4; // v4.xy // 这样写也可以：float2 v2 = (float2)v4
低维向量转换为高维向量，构造： 下面写法是错误的： float2 v2 = float2(1, 1);
float3 v3 = v2; // 错误写法，编译不通过
如果用显式转换呢？ float2 v2 = float2(1, 1);
float3 v3 = (float3)v2; // 错误写法，编译不通过
注意：在Cg/HLSL中，显式转换写法也会有同样的编译错误！ Cg官方手册有说明： 所以，低维向量转换为高维向量需要重新构造： float2 v2 = float2(1, 1);
half3 v3 = half3(v2, 0);
fixed4 v4 = fixed4(v3, 0);
可以看出，Cg/HLSL对向量不同精度之间转换的限制是比较宽松的。
这里还有一点要说明的是，在Cg语法中，可以从一个向量中取出任意几个分量（可以重复取）按任意顺序组合形成新的向量（最多不超过四维），即 Swizzle操作符：
如图所示，有三套字符，最常用的两套是：xyzw、rgba；使用哪套字符没有什么限制，二者完全等价。只不过为了代码的可读性，一般习惯于：xyzw（普通向量）、rgba（表示颜色的向量）
fixed4 v4 = fixed4(1, 0, -1, 0);
fixed3 col = v4.rgb;
fixed2 v2 = v4.www;
fixed4 v1 = v2.yyxx;
本篇完，下一篇，专题学习一下 “Cg/HLSL的内置函数” ，要开始改写“Unlit Shader”模板了…
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