Unity Shader 学习笔记—图形基础／CG语法

2017-12-22 本文已影响0人不停雨

图形编程历史

渲染流水线

目前最新的可编程图形硬件支持功能：

支持顶点和片段的可编程能力
支持IEEE32位的浮点运算（IEEE32是国际电工委员会置顶的浮点书表示方式，主要内容是用四个字节来表示浮点数，可以表示的数据的负数范围是(-22)^128~-2127,2^-127~22^128）
支持四元向量和四阶矩阵
提供分支和循环的控制语句
具有高带宽的内存处理能力
支持1D,2D,3D的纹理查询和使用能力，而且速度非常快
支持绘制到纹理功能

渲染流水线

含义：计算机需要从一系列的顶点数据、纹理等信息出发、生成（或者说渲染）一张二维图像的过程。
渲染流程分为三个阶段
- 应用程序阶段：（CPU）
  - 准备数据 eg.摄像机的位置、�视椎体、场景中的模型和光源等等
  - culling 粗粒度剔除 eg.将不可见的物体剔除
  - 输出 输出渲染所需的几何信息（点、线、三角面），即渲染图元。
- 几何阶段：（GPU）
  - 处理�渲染图元进行逐顶点、逐多边形的操作。顶点坐标转换到屏幕空间。
  - 输出屏幕空间的二维顶点坐标、每个顶点对应的深度值、着色等相关信息。
- 光栅化阶段�：（GPU）
  - 对上阶段的数据进行插值，再进行逐像素的处理。

CPU与GPU之间的通信

CPU�流水线（即应用阶段）
- 把数据加载到显存里
- 设置渲染状态
- 调用Draw Call（发起方是CPU，接收方是GPU）
GPU流水线（即几何阶段和光栅化阶段）
[图片上传失败...(image-260204-1513936425700)]
�顶点着色器 ：必选，可编程，通常用于实现顶点坐标的变换，�计算顶点颜色。
曲面细分着色器 ：可选，用于细分图元。
几何着色器 ：可选，用于逐图元的着色操作,或者用于产生更多的图元。
裁剪 ：可配置，将不是摄像机视野中的顶点裁剪掉。
屏幕映射 ：不可编程，不可配置。把每个图元的坐标转换到屏幕坐标系。
三角设置和三角形遍历阶段都是固定函数的阶段。
片元着色器 ：可编程，用于�实现逐片元的着色操作。
逐片元操作 ：可配置，eg.颜色修改，深度缓，冲进行混合等。

三种语言：

OpenGl的GLSL
Direct3D的HLSL
NVIDIA的CG（CG编写的可同时兼容�OpenGL和Direct平台）

GPU流水线的两个重要阶段

顶点着色器
- 输入： GPU前端模块提取图元信息（顶点位置，法线向量，纹理坐标（uv））等。
- 操作：顶点坐标空间转换，法向量空间转换，光照计算等（现在光照计算一般在片段着色器，比较细），然后将计算好的数据传入指定寄存器中。
片元着色器
- 输入：顶点着色器传入的数据。
- 操作：光照计算，uv扰动，纹理采样等，最后输出当前片段的颜色给光栅化阶段（片段着色器是对每个独立的颜色进行操作的）。

数学基础

推荐《3D数学基础：图形与游戏开发》

CG语言基础

CG语言的特性：
Cg是一种类C的语言，他沿用了大量的C语言特性，但是也有不同之处。Cg语言是脚本性语言，不能编译，调试和断点；并且Cg语言的主要用途是绘制像素颜色到屏幕上，他不能处理文字类的内容。Cg语言对单精度浮点的数据类型是非常敏感的；Cg语言因为GPU的并发特性所以导致Cg语言的所有执行过程是并发式的；
CG语法
- 基础数据类型：
  - float ： 32位浮点数据
```
float _Angle = 1.0
```
  - half ： 16位浮点数据
```
half _Angle = 1.0
```
  - int ： 32位整形数据
```
int _Angle = 1
```
  - fixed ： 12位浮点数据
```
fixed _Angle = 1
```
  - bool ： �布尔数据，用于判断
```
if(_Angle == 0)
{
  colors = diffuses.rgb;
}
```
  - Sampler 纹理对象，6类： Sampler，sampler1D,sampler2D,sampler3D,samplerCUBE和samplerRECT
```
sample2D _Diffuse;
```
- 特殊的数据类型
  - 向量：一共拥有4种维度的向量，1-4之间
```
float3 a = float3(0,1,2);
```
  - 矩阵：行和列都不得大于4和不得小于1
```
float2*2 a = {sin@,0,1,3};
```
    矩阵在赋值的时候一定要人为的分开行与行之间的关系，但是程序只认识顺序的赋值
  - 数组：因为CG是显卡操作语，没有内存，所以声明的时候要制定大小
```
float2 b[2];
int arrayLen = b.length; // 结果是2
float m[3][4];
arrayLen = m.length;// 结果是3；
arrayLen = m[1].length;// 结果是4；
```
  - 结构体：数据封装作用
```
struct a2v {
  float4 vertex : POSITION;
  float3 normal : NORMAL;
  float4 texcoord : TEXCOORD0;
  };
```
  - 表达式和控制语句
    - 关系操作符：<,>,<=,>=，!=,==,
    - 逻辑操作符：&&，||，！
    - 数学操作符：+，—，*，/，%
    - 移位操作符：>>
```
int2 a = int2(0.0,0.0); 
int2 b = a>>1; 
```
    - Swizzle操作符：
```
float4(a, b, c, d).xyz    等价于  float3(a, b, c) 
```
    - 控制流语句：if ，if-else while ，for，break
      - 点操作�符：只针对向量和结构
        v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
  - 行参修饰词：
    - in: 表示当前行参是只能输入的；
    - out：表示当前行参用来输出数据的;
    - inout: 表示可以进行输入和输出；
  - 离散数据图元信息：uniform
    - 只读性，只要标有uniform标签的变量，这个变量我们就不能初始化也不能修改其内容；
    - 使用范围特性，只能存在于入口函数的行参上或者是全局的变量身上；
    - 他只能支持引擎向着色器传入的数据，不能向外提交数据；
- 语义
  [图片上传失败...(image-525f9a-1513936425700)]

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CPU与GPU之间的通信

三种语言：

GPU流水线的两个重要阶段

数学基础

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