【Unity3D】Shader常量、变量、结构体、函数

1 源码路径

        Unity Shader 常量、变量、结构体、函数一般可以在 Unity Editor 安装目录下面的【Editor\Data\CGIncludes\UnityShader】目录下查看源码，主要源码文件如下：

UnityCG.cgincUnityShaderUtilities.cgincUnityShaderVariables.cginc 2 Shader 常量 #define UNITY_PI 3.14159265359f #define UNITY_TWO_PI 6.28318530718f #define UNITY_FOUR_PI 12.56637061436f #define UNITY_INV_PI 0.31830988618f #define UNITY_INV_TWO_PI 0.15915494309f #define UNITY_INV_FOUR_PI 0.07957747155f #define UNITY_HALF_PI 1.57079632679f #define UNITY_INV_HALF_PI 0.636619772367f 3 Shader 变量

        1）时间变量

// Time (t = time since current level load) values from Unity float4 _Time; // (t/20, t, t*2, t*3) float4 _SinTime; // sin(t/8), sin(t/4), sin(t/2), sin(t) float4 _CosTime; // cos(t/8), cos(t/4), cos(t/2), cos(t) float4 unity_DeltaTime; // dt, 1/dt, smoothdt, 1/smoothdt

        2）相机和光源的世界坐标

float3 _WorldSpaceCameraPos; // 相机的世界坐标 half4 _WorldSpaceLightPos0; // 光源的世界坐标

        3）投影参数

// x = 1 or -1 (-1 if projection is flipped) // y = near plane // z = far plane // w = 1/far plane float4 _ProjectionParams;

        4）屏幕参数

// x = width // y = height // z = 1 + 1.0/width // w = 1 + 1.0/height float4 _ScreenParams;

        5）MVP 矩阵

float4x4 UNITY_MATRIX_M, unity_ObjectToWorld; // [模型空间->世界空间]的变换矩阵M float4x4 UNITY_MATRIX_V, unity_MatrixV; // [世界空间->观察空间]的变换矩阵V float4x4 UNITY_MATRIX_P, glstate_matrix_projection; // [观察空间->裁剪空间]的变换矩阵P float4x4 UNITY_MATRIX_MV, unity_MatrixMV; // [模型空间->观察空间]的变换矩阵MV float4x4 UNITY_MATRIX_VP, unity_MatrixVP; // [世界空间->裁剪空间]的变换矩阵VP float4x4 UNITY_MATRIX_MVP, unity_MatrixMVP; // [模型空间->裁剪空间]的变换矩阵MVP float4x4 UNITY_MATRIX_I_V, unity_MatrixInvV; // V矩阵的逆矩阵 float4x4 UNITY_MATRIX_T_MV, unity_MatrixTMV; // MV矩阵的转置 float4x4 UNITY_MATRIX_IT_MV, unity_MatrixITMV; // MV矩阵的逆转矩阵 float4x4 unity_WorldToObject; // [世界空间->模型空间]的变换矩阵M

        说明：unity_ObjectToWorld 与 unity_WorldToObject 互为逆矩阵。

4 Shader 结构体

        1）appdata_base

struct appdata_base { float4 vertex : POSITION; // 局部坐标系下顶点坐标 float3 normal : NORMAL; // 局部坐标系下法线向量 float4 texcoord : TEXCOORD0; // 纹理坐标 UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID };

        2）appdata_tan

struct appdata_tan { float4 vertex : POSITION; // 局部坐标系下顶点坐标 float4 tangent : TANGENT; // 局部坐标系下切线向量 float3 normal : NORMAL; // 局部坐标系下法线向量 float4 texcoord : TEXCOORD0; // 纹理坐标 UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID };

        3）appdata_full

struct appdata_full { float4 vertex : POSITION; // 局部坐标系下顶点坐标 float4 tangent : TANGENT; // 局部坐标系下切线向量 float3 normal : NORMAL; // 局部坐标系下法线向量 float4 texcoord : TEXCOORD0; // 纹理坐标0 float4 texcoord1 : TEXCOORD1; // 纹理坐标1 float4 texcoord2 : TEXCOORD2; // 纹理坐标2 float4 texcoord3 : TEXCOORD3; // 纹理坐标3 fixed4 color : COLOR; // 顶点颜色 UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID };

        4）appdata_img

struct appdata_img { float4 vertex : POSITION; // 局部坐标系下顶点坐标 half2 texcoord : TEXCOORD0; // 纹理坐标 UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID };

        5）v2f_img

struct v2f_img { // 作为顶点着色器输出时, pos指裁剪坐标系下的坐标; 作为片元着色器输入时, pos指屏幕坐标系下的坐标 float4 pos : SV_POSITION; half2 uv : TEXCOORD0; // 纹理坐标 UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO };

        说明：作为顶点着色器输出时, pos指裁剪坐标系下的坐标; 作为片元着色器输入时, pos指屏幕坐标系下的坐标。

        6）vert_img 着色器

v2f_img vert_img(appdata_img v) { v2f_img o; UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(v2f_img, o); UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v); UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o); o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.uv = v.texcoord; return o; }

        用户可以通过以下方式引用内置顶点着色器：

#pragma vertex vert_img 5 Shader 函数 5.1 基础函数

        1）数值计算 

sign(x)、abs(x) // 符号、绝对值 min(a, b)、max(a, b) // 最值函数 ceil(x)、floor(x)、round(x) // 取整函数 frac(x) // 取小数部分 fmod(x, y) // 取余数 rap(x) // 倒数(1/x) sqrt(x)、pow(x) // 幂函数 exp(x)、exp2(x) // 指数函数(e^x、2^x) log(x)、log10(x)、log2(x) // 对数函数 degrees(x)、radians(x) // 角度转换函数 sin(x)、cos(x)、tan(x)、asin(x)、acos(x)、atan(x) // 三角函数 sinh(x)、cosh(x)、tanh(x) // 双曲线函数 saturate(x) // 将x约束在0和1之间, 超过边界就取边界值 clamp(x, min, max) // 将x约束在min和max之间, 超过边界就取边界值 smoothstep (min, max, x) // 平滑比例, 公式: k=saturate((x-min)/(max-min)), y=k*k*(3-2*k) lerp(a, b, f) // 插值, 公式: y=x+f*(y-x), a、b可以是向量

        2）向量计算

all(vec) // 如果vec中每个分量都是非零的则返回true, 否则返回false any(vec) // 如果vec中存在一个分量是非零的则返回true, 否则返回false distance(pos1, pos2) // 计算pos1与pos2之间的距离 length(vec) // 计算向量的模长 normalize(vec) // 计算向量的单位向量 dot(vec1, vec2) // 向量点乘 cross(vec1, vec2) // 向量叉乘 reflect(i, n) // 根据入射向量和法线向量计算反射向量

        3）矩阵计算

mul(M, N)、mul(M, v), mul(v, M) // M*N、M*v、M'*v determinant(M) // 计算矩阵的行列式 transpose(M) // 矩阵转置

        4）纹理计算

tex2D(sampler2D, uv_Tex) // 查询纹理坐标对应的纹理值 UnpackNormal(color) // 根据法线纹理解析法线向量 5.2 坐标和向量变换

        1）坐标变换

// 模型空间->观察空间 float3 UnityObjectToViewPos(float3 pos) // mul(UNITY_MATRIX_MV, float4(pos, 1.0)).xyz float3 UnityObjectToViewPos(float4 pos) // UnityObjectToViewPos(pos.xyz) // 模型空间->裁剪空间 float4 UnityObjectToClipPos(float3 pos) // mul(UNITY_MATRIX_MVP, float4(pos, 1.0)) float4 UnityObjectToClipPos(float4 pos) // UnityObjectToClipPos(pos.xyz) // 世界空间->观察空间 float3 UnityWorldToViewPos(float3 pos) // mul(UNITY_MATRIX_V, float4(pos, 1.0)).xyz // 世界空间->裁剪空间 float4 UnityWorldToClipPos(float3 pos) // mul(UNITY_MATRIX_VP, float4(pos, 1.0)) // 观察空间->裁剪空间 float4 UnityViewToClipPos(float3 pos) // mul(UNITY_MATRIX_P, float4(pos, 1.0))

        2）向量变换

// 局部空间->世界空间 float3 UnityObjectToWorldDir(float3 dir) // normalize(mul((float3x3)unity_ObjectToWorld, dir)) // 世界空间->局部空间 float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir) // normalize(mul((float3x3)unity_WorldToObject, dir))

        3）法线变换

// 局部空间->世界空间 float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm) { #ifdef UNITY_ASSUME_UNIFORM_SCALING // 统一缩放(x、y、z分量缩放系数一致) return UnityObjectToWorldDir(norm); // normalize(mul((float3x3)unity_ObjectToWorld, norm)) #else return normalize(mul(norm, (float3x3)unity_WorldToObject)); // mul(IT_M, norm) => mul(norm, I_M) #endif }

        法线由切线计算而来，在局部空间中 A 点的切线向量为 v1，法线向量为 n1，经过模型变换（矩阵 M）后，切线向量为 v2，法线向量为 n2，假设法线向量的变换矩阵为 G，因此存在以下关系：

        Unity 中线性变换主要有平移、旋转、缩放，由于向量不受平移变换影响，因此，对于法线向量而言，只受旋转和缩放影响。

当 M 只包含旋转变换时，M 是正交矩阵，，因此 G = M；当 M 只包含统一缩放变换时，M = k·E，因此 G = 1/k·E = 1/(k^2)·M，由于法线向量只需要方向，后面会进行归一化，因此可以简写 G = M；当 M 只包含旋转变换和统一缩放变换时，G = 1/(k^2)·M，由于法线向量只需要方向，后面会进行归一化，因此可以简写 G = M；

        4）其他变换

// 观察空间->裁剪空间 float2 TransformViewToProjection (float2 v) // mul((float2x2)UNITY_MATRIX_P, v) float3 TransformViewToProjection (float3 v) // mul((float3x3)UNITY_MATRIX_P, v) 5.3 计算指向相机和光源的向量 

        1）计算顶点指向相机的向量

// _WorldSpaceCameraPos.xyz - worldPos float3 ObjSpaceViewDir(float4 v) // 输入: 局部坐标, 输出: 局部坐标 float3 WorldSpaceViewDir(float4 localPos) // 输入: 局部坐标, 输出: 世界坐标 float3 UnityWorldSpaceViewDir(float3 worldPos) // 输入: 世界坐标, 输出: 世界坐标

        2）计算顶点指向光源的向量

// mul(unity_WorldToObject, _WorldSpaceLightPos0).xyz - v.xyz float3 ObjSpaceLightDir(float4 v) // 输入: 局部坐标, 输出: 局部坐标 float3 WorldSpaceLightDir(float4 localPos) // 输入: 局部坐标, 输出: 世界坐标 float3 UnityWorldSpaceLightDir(float3 worldPos) // 输入: 世界坐标, 输出: 世界坐标