【Unity Shader】---经常使用帮助函数、结构体和全局变量

1、内置包含文件

　　Unity中有相似于C++的包含文件.cginc，在编写Shader时咱们能够使用#include指令把这些文件包含进来
这样咱们就能够使用Unity为咱们提供的一些很是好用的函数、宏和变量。

例如：#include"UnityCG.cginc"

包含文件的位置：根目录\Editor\Data\CGIncludes

知识点1：如下是Unity中经常使用包含文件：
　　文件名 描述
　　一、UnityCG.cginc 包含最经常使用的帮助函数、宏和结构体
　　二、UnityShaderVariables.cginc 在编译Shader时，会被自动包含进来，包含了许多内置的全局变量，如UNITY_MATRIX_MVP
　　三、Ligghting.cginc 包含了各类内置光照模型，若是编写SurfaceShader的话，会被自动包含进来
　　四、HLSLSurport.cginc 在编译Shader时，会被自动包含进来，声明了不少跨平台编译的宏和定义

　　Unity5.2引入了许多新的重要的包含文件，如UnityStandardBRDF.cginc等。这些文件用于实现基于物理的渲染

知识点2：UnityShader中经常使用的结构体

　　　　名称 　　　　　　　　 描述 　　　　　　　　　　　　　包含的变量
　　appdata_base 　　　　用于顶点着色器输入 　　　　 顶点位置、顶点法线、第一组纹理坐标
　　appdata_tan 　　　　 用于顶点着色器输入 　　　　 顶点位置、顶点切线、顶点法线、第一组纹理坐标
　　appdata_full 　　　　用于顶点着色器输入 　　　　 顶点位置、顶点切线、顶点法线、四组（或更多）纹理坐标
　　appdata_img 　　　　 用于顶点着色器输入 　　　　 顶点位置、第一组纹理坐标
　　v2f_img 　　　　　　 用于顶点着色器输出 　　　　 裁剪空间中的位置、纹理坐标

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;
};

知识点3：UnityShader中经常使用的帮助函数

　　　　　　函数名 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 描    述
float3 WorldSpaceViewDir(float4 v) 　　　　 　　  输入一个模型顶点坐标，获得世界空间中从该点到摄像机的观察方向
float3 ObjSpaceViewDir(float4 v) 　　　　　　 　  输入一个模型顶点坐标，获得模型空间中从该点到摄像机的观察方向
float3 WorldSpaceLightDir(float4 v) 　　　　　　   输入一个模型顶点坐标，获得世界空间中从该点到光源的光照方向（方向没有归一化，且只可用于前向渲染）
float3 ObjSpaceLightDir(float4 v) 　　　　　　 　  输入一个模型顶点坐标，获得模型空间中从该点到光源的光照方向（方向没有归一化，且只可用于前向渲染）
float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm)　　将法线从模型空间转换到世界空间
float3 UnityObjectToWorldDir(in float3 dir) 　　　   把方向矢量从模型空间转换到世界空间
float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir) 　　　　   把方向矢量从世界空间转换到模型空间

知识点4：UnityShader中内置变量
                                                                     Unity内置变换矩阵
           变量名                                                                             描         述
UNITY_MATRIX_MVP 　　　　     当前模型*观察*投影矩阵，用于将模型顶点/方向矢量从模型空间转换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_MV 　　　　　   当前模型*观察矩阵，用于将模型顶点/方向矢量从模型空间转换到观察空间
UNITY_MATRIX_V 　　　　　　  当前观察矩阵，用于将顶点/方向矢量从世界空间变换到观察空间
UNITY_MATRIX_P 　　　　　　  当前投影矩阵，用于将顶点/方向矢量从观察空间变换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_VP 　　　　　　当前观察*投影矩阵，用于将顶点/方向矢量从世界空间变换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_T_MV 　　　　  UNITY_MATRIX_MV转置矩阵
UNITY_MATRIX_IT_MV 　　　　 UNITY_MATRIX_MV逆转置矩阵，可将法线矢量从模型空间转换到观察空间
_Object2World 　　　　　　　　 当前模型的矩阵，用于将模型顶点/方向矢量从模型空间转换到世界空间
_World2Object 　　　　　　         _Object2World逆矩阵，用于将模型顶点/方向矢量从世界空间转换到模型空间

另外：Unity还提供了可以访问时间、光照、雾效和环境光等目的的变量。这些内置变量大多UnityShaderVariables.cginc中，
跟光照有关的还定义在Lighting.cginc 和AutoLight.cginc中。

知识点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)：加载shader源码进shader object；可能多个字符串 
三、void CompileShader(uint shader)：编译shader object； 
  shader object有状态 表示编译结果 
四、void DeleteShader( uint shader )：删除 shader object; 
五、void ShaderBinary( sizei count, const uint *shaders, 
enum binaryformat, const void *binary, sizei length ): 加载预编译过的shader 二进制串； 
六、uint CreateProgram( void )：建立空的program object， programe object组织多个shader object，成为executable; 
七、void AttachShader( uint program, uint shader )：关联shader object和program object； 
八、void DetachShader( uint program, uint shader )：解除关联； 
九、void LinkProgram( uint program )：program object准备执行，其关联的shader object必须编译正确且符合限制条件； 
十、void UseProgram( uint program )：执行program object； 
十一、void ProgramParameteri( uint program, enum pname, 
int value )： 设置program object的参数； 
十二、void DeleteProgram( uint program )：删除program object； 
1三、shader 变量的qualifier: 
   默认：无修饰符，普通变量读写， 与外界无链接； 
   const：常量 const vec3 zAxis = vec3(0.0, 0.0, 1.0); 
   attribute: 申明传给vertex shader的变量；只读；不能为array或struct；attribute vec4 position; 
   uniform: 代表整个图元处理中值相同；只读； uniform vec4 lightPos; 
   varying: 被差值；读写； varying vec3 normal; 
   in, out, inout; 

shader变量的精度： 
   highp, mediump, lowp 

shader内置变量： 
   gl_Position: 用于vertex shader, 写顶点位置；被图元收集、裁剪等固定操做功能所使用； 
                其内部声明是：highp vec4 gl_Position; 
   gl_PointSize: 用于vertex shader, 写光栅化后的点大小，像素个数； 
                其内部声明是：mediump float gl_Position; 
   gl_FragColor: 用于Fragment shader，写fragment color；被后续的固定管线使用； 
                 mediump vec4 gl_FragColor; 
   gl_FragData: 用于Fragment shader，是个数组，写gl_FragData[n] 为data n；被后续的固定管线使用； 
                 mediump vec4 gl_FragData[gl_MaxDrawBuffers]; 
   gl_FragColor和gl_FragData是互斥的，不会同时写入； 
   gl_FragCoord: 用于Fragment shader,只读， Fragment相对于窗口的坐标位置 x,y,z,1/w; 这个是固定管线图元差值后产生的；z 是深度值; mediump vec4 gl_FragCoord; 
   gl_FrontFacing: 用于判断 fragment是否属于 front-facing primitive；只读； 
                   bool gl_FrontFacing;   
   gl_PointCoord: 仅用于 point primitive; mediump vec2 gl_PointCoord; 

shader内置常量： 
   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内置数学函数： 
   通常默认都用弧度； 
   radians(degree) : 角度变弧度； 
   degrees(radian) : 弧度变角度； 
   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): 指数, log(x)： 
   exp2(x): 2的x次方， log2(x): 
   sqrt(x): x的根号； inversesqrt(x): x根号的倒数 
  
   abs(x): 绝对值 
   sign(x): 符号, 1, 0 或 -1 

    {sign(x)或者Sign(x)叫作符号函数，在数学和计算机运算中，其功能是取某个数的符号(正或负): 
    当x>0，sign(x)=1; 
    当x=0，sign(x)=0; 
    当x<0， sign(x)=-1;}    floor(x): 底部取整 
   ceil(x): 顶部取整 
   fract(x): 取小数部分 
   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的线性混叠， x(1-a) + y*a; 
   step(edge, x): 如 x 
   smoothstep(edge0, edge1, x): threshod  smooth transition时使用。 edge0<=edge0时为0.0， x>=edge1时为1.0 
  
   length(x): 向量长度 
   distance(p0, p1): 两点距离， length(p0-p1); 
   dot(x, y): 点积，各份量分别相乘 后 相加 
   cross(x, y): 差积，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): 归一化， length(x)=1; 
   faceforward(N, I, Nref): 如 dot(Nref, I)< 0则N, 不然 -N 
   reflect(I, N): I的反射方向， I -2*dot(N, I)*N, N必须先归一化 
   refract(I, N, eta): 折射，k=1.0-eta*eta*(1.0 - dot(N, I) * dot(N, I)); 如k<0.0 则0.0，不然 eta*I - (eta*dot(N, I)+sqrt(k))*N 
  
   matrixCompMult(matX, matY): 矩阵相乘, 每一个份量 自行相乘， 即 r[j] = x[j]*y[j];                                矩阵线性相乘，直接用 *          lessThan(vecX, vecY): 向量 每一个份量比较 x < y     lessThanEqual(vecX, vecY): 向量 每一个份量比较 x<=y     greaterThan(vecX, vecY): 向量 每一个份量比较 x>y     greaterThanEqual(vecX, vecY): 向量 每一个份量比较 x>=y     equal(vecX, vecY): 向量 每一个份量比较 x==y     notEqual(vecX, vexY): 向量 每一个份量比较 x!=y     any(bvecX): 只要有一个份量是true， 则true     all(bvecX): 全部份量是true， 则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):