【Unity Shader】Unity提供的CG/HLSL语义
发表于2018-11-01
什么是语义
语义实际就是一个赋给Shader输入和输出的字符串，这个字符串表达了这个参数的含义。这些语义可以让Shader知道从哪里读取数据，并把数据输到哪里。
在DirectX10以后，有了一种新的语义类型，即系统数值语义（system-valuesemantics）。这类语义是以SV开头的，SV代表的就是系统数值。这些语义在渲染流水线中有特殊的含义，下面就来看看Unity提供的CG、HLSL语义吧。
Unity支持的语义
从应用阶段传递模型数据给顶点着色器时Unity支持的常用语义，表如下：
从顶点着色器传递给片元着色器时Unity支持的常用语义，表如下：
片元着色器输出时Unity支持的常用语义，表如下：
Unity中对UnityShader的调试方法：
1、使用假彩色图像
假彩色图像（false_colorimage）指的是用假彩色技术生成的一种图像。一张假彩色图像可以用于可视化一些数据，那么如何用它来对Shader进行调试呢？
主要思想是，我们可以把需要调试的变量映射到[0,1]之间，把它们作为颜色输出到屏幕上，然后通过屏幕上显示的像素颜色来判断这个值是否正确。
作为实例，下面我们会使用假彩色图像的方式来可视化一些模型数据，如法线、切线、纹理坐标、顶点颜色，以及它们之间的运算结果等，代码如下：
Shader"UnityShaderBook/Chapter5/FalseColor"｛ SubShader｛ Pass｛ CGPROGRAM #pragmavertexvert #pragmafragmentfrag #include"UnityCG.cginc" structv2f｛ float4pos:SV_POSITION; fixed4color:COLOR0; ｝; v2fvert(appdata_fullv) ｛ v2fo; o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex); //可视化法线方向 o.color=fixed4(v.normal*0.5+fixed3(0.5,0.5,0.5),1.0); //可视化切线方向 o.color=fixed4(v.tangent*0.5+fixed3(0.5,0.5,0.5),1.0); //可视化副法线方向 fixed3binormal=cross(v.normal,v.tangent.xyz)*v.tangent.w; o.color=fixed4(binormal*0.5+fixed3(0.5,0.5,0.5),1.0); //可视化第一组纹理坐标 o.color=fixed4(v.texcoord.xy,0.0,1.0); //可视化第二组纹理坐标 o.color=fixed4(v.texcoord1.xy,0.0,1.0); //可视化第一组纹理坐标的小数部分 o.color=frac(v.texcoord); if(any(saturate(v.texcoord)-v.texcoord)) ｛ o.color.b=0.5; ｝ o.color.a=1.0; //可视化第二组纹理坐标的小数部分 o.color=frac(v.texcoord1); if(any(saturate(v.texcoord1)-v.texcoord1)) ｛ o.color.b=0.5; ｝ o.color.a=1.0; //可视化顶点颜色 o.color=v.color; returno; ｝ fixed4frag(v2fi):SV_Target｛ returni.color; ｝ ENDCG ｝ ｝ ｝
上面的代码中，我们使用了Uniyt内置的一个结构体——appdata_full。可以在UnityCG.cginc里找到它的定义：
float4 vertex : POSITION;
float4 tangent : TANGENT;
float3 normal : NORMAL;
float4 texcoord : TEXCOORD0;
float4 texcoord1 : TEXCOORD1;
float4 texcoord2 : TEXCOORD2;
float4 texcoord3 : TEXCOORD3;
fixed4 color : COLOR;
UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
｝;
可以看出，appdata_full 几乎包含了所有的模型数据。
我们把计算得到的假彩色存储到了顶点着色器的输出结构体——v2f中的color 变量里，并且在片元着色器中输出了这个颜色。我们可以对其中的代码进行不同的注释，来观察不同运算和数据得到的效果。
Shader 整治之道
1、float、half、fixed
在CG/HLSL中，有三种精度的数值类型：float、half、fixed。这些精度将决定计算结果的数值范围，精度范围如下表：
上面的精度范围并不是绝对正确的，在不同的平台和GPU上，可能会有所不同。
尽可能使用精度较低的类型，因为这可以优化Shader的性能，这一点在移动平台上尤其重要。从它们大体的值域范围来看，我们可以使用fixed类型来存储颜色和单位矢量，如果要存储更大范围的数据可以选择half 类型，最差情况下再选择使用float。
2、避免不必要的计算
如果我们在Shader 中，尤其是片元着色器中，进行了大量的计算，那么很可能就会收到Unity的错误提示。不同的Shader Target、不同的着色器阶段，我们可以使用的临时寄存器和指令数目都是不同的。如下表：
3、慎用分支和循环语句
如果我们在Shader中使用了大量的流程控制语句，那么这个Shader的性能可能会成倍下降。解决方法就是，我们尽量把计算向流水线上端移动，比如，把放在片元着色器中的计算放到顶点着色器中，或者直接在CPU中进行预计算，再把结果传递给Shader。
4、不要除以0
不然结果不可预测。