25.CG-内置函数
25.1 知识点
CG内置函数是什么？
在Unity Shader中的CG语言中，内置了各种用于图形编程的函数，这些函数是CG为我们封装好的逻辑，我们可以使用它们来编写Unity Shader。
有哪些内置函数
数学函数
三角函数相关
sincos(float x, out s, out c): 该函数同时计算x的sin值和cos值通过s和c进行返回（比分别运算快很多）sin(x): 正弦函数cos(x): 余弦函数tan(x): 正切函数sinh(x): 双曲正弦函数cosh(x): 双曲余弦函数tanh(x): 双曲正切函数asin(x): 反正弦函数，输入参数范围[-1,1]，返回[-π/2,π/2]区间的角度值acos(x): 反余弦函数，输入参数范围[-1,1]，返回[0,π]区间的角度值atan(x): 反正切函数，输入参数范围[-1,1]，返回[-π/2,π/2]区间的角度值atan2(y,x): 计算y/x的反正切值。和atan功能一样，只是输入参数不同。atan(x)=atan2(x,1)
向量、矩阵相关
cross(A,B): 叉乘（注意：传入向量必须是三维向量）dot(A,B): 点乘（注意：传入向量必须是三维向量）mul(M,N): 计算两个矩阵相乘mul(M,v): 计算矩阵和向量相乘mul(v,M): 计算向量和矩阵相乘transpose(M): M为矩阵，计算M的转置矩阵determinant(m): 计算矩阵的行列式因子
数值相关
abs(x): 返回输入参数的绝对值ceil(x): 对输入参数向上取整floor(x): 对输入参数向下取整clamp(x,a,b): 如果x小于a，则返回a；x大于b，则返回b；否则，返回x（”夹紧”函数）radians(x): 角度转弧度degrees(x): 弧度转角度max(a,b): 返回最大值min(a,b): 返回最小值sqrt(x): 求x的平方根，x必须大于0pow(x,y): x的y次方的值round(x): 对x四舍五入rsqrt(x): x的反平方根，x必须大于0lerp(a,b,f): 差值函数，计算(1-f)a + bf 或者 a + f*(b-a)的值exp(x): 计算e的x次方的值，e=2.71828182845904523536exp2(x): 计算2的x次方的值fmod(x,y): 返回x/y的余数，y不为0frac(x): 返回标量或每个矢量分量的小数部分frexp(x,out exp): 将浮点数x分解为尾数和直属，即 x = m * 2的exp次方，返回m，将指数存储exp中isfinite(x): 判断标量或者向量中的每个数据是否是有限数，如果是返回true，否则返回falseisinf(x): 判断标量或者向量中的每个数据是否是无限，如果是返回true，否则返回falseisnan(x): 判断标量或者向量中的每个数据是否是非数据，如果是返回true，否则返回falseldexp(x,n): 计算x * 2的n次方 的值log(x): 计算ln(x)的值，x必须大于0log2(x): 计算log2(x次方)的值，x必须大于0log10(x): 计算log2(x次方)的值，x必须大于0saturate(x): 如果x小于0，返回0；如果x大于1，返回1；否则，返回xsign(x): 如果x大于0，返回1；如果x小于0，返回-1；否则，返回0smoothstep(min,max,x): 值x位于min、max区间内，如果x=min，返回0；如果x=max，返回1；如果在两者之间，返回-2* ((x-min)/(max - min))的三次方 + 3* ((x - min)/(max - min))的2次方step(a,x): 如果x<a,返回0；否则，返回1all(x): 输入参数均不为0，则返回true;否则返回False。相当于逻辑与&&any(x): 输入参数只要有其中一个不为0，则返回true。相当于逻辑或||
其他
lit(NdotL,NdotH,m): N表示法向量；L表示入射光向量；H表示半角向量；m表示高光系数。该函数计算环境光、散射光、镜面光的贡献，返回4维向量；x位表示环境光贡献；y位表示散射光贡献；z位表示镜面光贡献；w始终为1noise(x): 噪声函数，返回值始终是0~1之间；对于相同的输入，始终返回相同值，不是真正意义的随机噪声
几何函数
length(v): 返回一个向量的模长normalize(v): 归一化向量distance(p1,p2): 计算两点之间的距离reflect(I,N): 计算反射光方向向量，I为入射光，N为顶点法向量。I是指向顶点的，I和N必须被归一化，必须是3维向量refract(I,N,eta): 计算折射向量，I为入射光，N为顶点法向量，eta为折射系数。I是指向顶点的，I和N必须被归一化，必须是3维向量
纹理函数
注意：这些纹理采样函数返回值为 fixed4 类型的颜色值
二维纹理
tex2D(sampler2D tex, float2 s): 二维纹理查询tex2D(sampler2D tex, float2 s, float2 dsdx, float2 dsdy): 使用导数值查询二维纹理tex2D(sampler2D tex, float3 sz): 二维纹理查询，并进行深度值比较tex2D(sampler2D tex, float3 sz, float2 dsdx, float2 dsdy): 使用导数值查询二维纹理，并进行深度值比较tex2Dproj(sampler2D tex, float3 sq): 二维投影纹理查询tex2Dproj(sampler2D tex, float4 szq): 二维投影纹理查询，并进行深度值比较
tex2D函数使用示例
- 基于上节课自定义的shader代码，修改片元着色器函数。从在属性中声明的_My2D纹理中得到对应uv的演示并返回
// 片段着色器函数，返回贴图对应uv的颜色
fixed4 frag(v2f data) : SV_Target
{
fixed4 color = tex2D(_My2D, data.uv);
return color;
}
- 这样得到的shader颜色就是对应纹理的颜色，修改_My2D能看到不同的效果
- 完整代码如下
Shader "ShaderTeach/Lesson25_NewUnlitShader"
{
Properties
{
// 纹理贴图类型属性
_My2D("My2D", 2D) = "white" {}
}
SubShader
{
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
// 纹理贴图类型属性
sampler2D _My2D;
struct a2v
{
//顶点坐标(基于模型空间)
float4 vertex:POSITION;
//顶点法线(基于模型空间)
float3 normal:NORMAL;
//纹理坐标(uv坐标)
float2 uv:TEXCOORD0;
};
struct v2f
{
//裁剪空间下的坐标
float4 position:SV_POSITION;
//顶点法线(基于模型空间)
float3 normal:NORMAL;
//纹理坐标(uv坐标)
float2 uv:TEXCOORD0;
};
// 顶点着色器函数，将a2v数据转换为v2f数据
v2f vert(a2v data)
{
//定义顶点着色器传递给片段着色器的数据结构体 需要传递给片元着色器的数据
v2f v2fData;
// 将顶点坐标转换为裁剪空间下的坐标
v2fData.position = UnityObjectToClipPos(data.vertex);
// 传递顶点法线
v2fData.normal = data.normal;
// 传递纹理坐标
v2fData.uv = data.uv;
return v2fData;
}
// 片段着色器函数，返回贴图对应uv的颜色
fixed4 frag(v2f data) : SV_Target
{
fixed4 color = tex2D(_My2D, data.uv);
return color;
}
ENDCG
}
}
}
立方体纹理
texCUBE(samplerCUBE tex, float3 s): 查询立方体纹理texCUBE(samplerCUBE tex, float3 s, float3 dsdx, float3 dsdy): 结合导数值查询立方体纹理texCUBEDproj(samplerCUBE tex, float4 sq): 查询立方体投影纹理，并进行深度值比较
其他纹理
tex1D(sampler1D tex, float s): 一维纹理查询tex1D(sampler1D tex, float s, float dsdx, float dsdy): 使用导数值查询一维纹理tex1D(sampler1D tex, float2 sz): 一维纹理查询，并进行深度值比较tex1D(sampler1D tex, float2 sz, float dsdx, float dsdy): 使用导数值查询一维纹理，并进行深度值比较tex1Dproj(sampler1D tex, float2 sq): 一维投影纹理查询tex1Dproj(sampler1D tex, float3 szq): 一维投影纹理查询，并进行深度值比较texRECT(samplerRECT tex, float2 s): 矩形纹理查询texRECT(samplerRECT tex, float2 s, float2 dsdx, float2 dsdy): 使用导数值查询矩形纹理texRECT(samplerRECT tex, float3 sz): 矩形纹理查询，并进行深度值比较texRECT(samplerRECT tex, float3 sz, float2 dsdx, float2 dsdy): 使用导数值查询矩形纹理，并进行深度值比较texRECTproj(samplerRECT tex, float3 sq): 矩形投影纹理查询texRECTproj(samplerRECT tex, float3 szq): 矩形投影纹理查询，并进行深度值比较tex3D(sampler3D tex, float3 s): 查询三维纹理tex3D(sampler3D tex, float3 s, float3 dsdx, float3 dsdy): 结合导数值查询三维纹理tex3DDproj(sampler3D tex, float4 sq): 查询三维投影纹理，并进行深度值比较
总结
- 这节课的主要目的是让大家对CG语言的内置函数有一个大致了解。
- 大家需要把常用函数记录到自己的笔记当中，方便之后大家查阅使用。
- 也可以通过以下链接来查看更多的相关函数：Direct3D HLSL Intrinsic Functions。这是HLSL对应的内置函数，CG和它类似（注意：不是所有函数都在Unity中被支持）。
25.2 知识点代码
Lesson25_CG_内置函数
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
public class Lesson25_CG_内置函数 : MonoBehaviour
{
void Start()
{
#region 知识点一 CG内置函数是什么？
//Unity Shader中的CG语言
//提供了各种用于图形编程的函数
//这些函数是CG为我们封装好的逻辑
//我们可以使用它们来编写Unity Shader
#endregion
#region 知识点二 有哪些内置函数？
#region 1.数学函数
#region 三角函数相关
//sincos(float x, out s, out c) 该函数同时计算x的sin值和cos值通过s和c进行返回（比分别运算快很多）
//sin(x) 正弦函数
//cos(x) 余弦函数
//tan(x) 正切函数
//sinh(x) 双曲正弦函数
//cosh(x) 双曲余弦函数
//tanh(x) 双曲正切函数
//asin(x) 反正弦函数，输入参数范围[-1,1]，返回[-π/2,π/2]区间的角度值
//acos(x) 反余弦函数，输入参数范围[-1,1]，返回[0,π]区间的角度值
//atan(x) 反正切函数，输入参数范围[-1,1]，返回[-π/2,π/2]区间的角度值
//atan2(y,x) 计算y/x的反正切值。和atan功能一样，只是输入参数不同。atan(x)=atan2(x,1)
#endregion
#region 向量、矩阵相关
//cross(A,B) 叉乘（注意：传入向量必须是三维向量）
//dot(A,B) 点乘（注意：传入向量必须是三维向量）
//mul(M,N) 计算两个矩阵相乘
//mul(M,v) 计算矩阵和向量相乘
//mul(v,M) 计算向量和矩阵相乘
//transpose(M) M为矩阵，计算M的转置矩阵
//determinant(m) 计算矩阵的行列式因子
#endregion
#region 数值相关
//abs(x) 返回输入参数的绝对值
//ceil(x) 对输入参数向上取整
//floor(x) 对输入参数向下取整
//clamp(x,a,b) 如果x小于a，则返回a；x大于b，则返回b；否则，返回x（"夹紧"函数）
//radians(x) 角度转弧度
//degrees(x) 弧度转角度
//max(a,b) 返回最大值
//min(a,b) 返回最小值
//sqrt(x) 求x的平方根，x必须大于0
//pow(x,y) x的y次方的值
//round(x) 对x四舍五入
//rsqrt(x) x的反平方根，x必须大于0
//lerp(a,b,f) 差值函数，计算(1-f)*a + b*f 或者 a + f*(b-a)的值
//exp(x) 计算e的x次方的值，e=2.71828182845904523536
//exp2(x) 计算2的x次方的值
//fmod(x,y) 返回x/y的余数，y不为0
//frac(x) 返回标量或每个矢量分量的小数部分
//frexp(x,out exp) 将浮点数x分解为尾数和直属，即 x = m * 2的exp次方，返回m，将指数存储exp中
//isfinite(x) 判断标量或者向量中的每个数据是否是有限数，如果是返回true，否则返回false
//isinf(x) 判断标量或者向量中的每个数据是否是无限，如果是返回true，否则返回false
//isnan(x) 判断标量或者向量中的每个数据是否是非数据，如果是返回true，否则返回false
//ldexp(x,n) 计算x * 2的n次方 的值
//log(x) 计算ln(x)的值，x必须大于0
//log2(x) 计算log2(x次方)的值，x必须大于0
//log10(x) 计算log2(x次方)的值，x必须大于0
//saturate(x) 如果x小于0，返回0；如果x大于1，返回1；否则，返回x
//sign(x) 如果x大于0，返回1；如果x小于0，返回-1；否则，返回0
//smoothstep(min,max,x) 值x位于min、max区间内，如果x=min，返回0；如果x=max，返回1；如果在两者之间，返回
// -2* ((x-min)/(max - min))的三次方 + 3* ((x - min)/(max - min))的2次方
//step(a,x) 如果x<a,返回0；否则，返回1
//all(x) 输入参数均不为0，则返回true;否则返回False。相当于逻辑与&&
//any(x) 输入参数只要有其中一个不为0，则返回true。相当于逻辑或||
#endregion
#region 其他
//lit(NdotL,NdotH,m) N表示法向量；L表示入射光向量；H表示半角向量；m表示高光系数
// 该函数计算环境光、散射光、镜面光的贡献，返回4维向量；
// x位表示环境光贡献；y位表示散射光贡献；z位表示镜面光贡献；w始终为1
//noise(x) 噪声函数，返回值始终是0~1之间；对于相同的输入，始终返回相同值，不是真正意义的随机噪声
#endregion
#endregion
#region 2.几何函数
//length(v) 返回一个向量的模长
//normalize(v) 归一化向量
//distance(p1,p2) 计算两点之间的距离
//reflect(I,N) 计算反射光方向向量，I为入射光，N为顶点法向量，。I是指向顶点的，I和N必须被归一化，必须是3维向量
//refract(I,N,eta) 计算折射向量，I为入射光，N为顶点法向量，eta为折射系数。I是指向顶点的，I和N必须被归一化，必须是3维向量
#endregion
#region 3.纹理函数
//注意：这些纹理采样函数返回值为 fixed4 类型的颜色值
#region 二维纹理
//tex2D(sampler2D tex, float2 s) 二维纹理查询
//tex2D(sampler2D tex, float2 s, float2 dsdx, float2 dsdy) 使用导数值查询二维纹理
//tex2D(sampler2D tex, float3 sz) 二维纹理查询，并进行深度值比较
//tex2D(sampler2D tex, float3 sz, float2 dsdx, float2 dsdy) 使用导数值查询二维纹理，并进行深度值比较
//tex2Dproj(sampler2D tex, float3 sq) 二维投影纹理查询
//tex2Dproj(sampler2D tex, float4 szq) 二维投影纹理查询，并进行深度值比较
#endregion
#region 立方体纹理
//texCUBE(samplerCUBE tex, float3 s) 查询立方体纹理
//texCUBE(samplerCUBE tex, float3 s, float3 dsdx, float3 dsdy) 结合导数值查询立方体纹理
//texCUBEDproj(samplerCUBE tex, float4 sq) 查询立方体投影纹理，并进行深度值比较
#endregion
#region 其他纹理
//tex1D(sampler1D tex, float s) 一维纹理查询
//tex1D(sampler1D tex, float s, float dsdx, float dsdy) 使用导数值查询一维纹理
//tex1D(sampler1D tex, float2 sz) 一维纹理查询，并进行深度值比较
//tex1D(sampler1D tex, float2 sz, float dsdx, float dsdy) 使用导数值查询一维纹理，并进行深度值比较
//tex1Dproj(sampler1D tex, float2 sq) 一维投影纹理查询
//tex1Dproj(sampler1D tex, float3 szq) 一维投影纹理查询，并进行深度值比较
//texRECT(samplerRECT tex, float2 s) 矩形纹理查询
//texRECT(samplerRECT tex, float2 s, float2 dsdx, float2 dsdy) 使用导数值查询矩形纹理
//texRECT(samplerRECT tex, float3 sz) 矩形纹理查询，并进行深度值比较
//texRECT(samplerRECT tex, float3 sz, float2 dsdx, float2 dsdy) 使用导数值查询矩形纹理，并进行深度值比较
//texRECTproj(samplerRECT tex, float3 sq) 矩形投影纹理查询
//texRECTproj(samplerRECT tex, float3 szq) 矩形投影纹理查询，并进行深度值比较
//tex3D(sampler3D tex, float3 s) 查询三维纹理
//tex3D(sampler3D tex, float3 s, float3 dsdx, float3 dsdy) 结合导数值查询三维纹理
//tex3DDproj(sampler3D tex, float4 sq) 查询三维投影纹理，并进行深度值比较
#endregion
#endregion
#endregion
#region 总结
//这节课的主要目的
//是让大家对CG语言的内置函数有一个大致了解
//大家需要把常用函数记录到自己的笔记当中，方便之后大家查阅使用
//也可以通过以下链接来查看更多的相关函数
//https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3dhlsl/dx-graphics-hlsl-intrinsic-functions
//这是HLSL对应的内置函数，CG和它类似（注意：不是所有函数都在Unity中被支持）
#endregion
}
}
Lesson25_NewUnlitShader.shader
Shader "ShaderTeach/Lesson25_NewUnlitShader"
{
Properties
{
// 纹理贴图类型属性
_My2D("My2D", 2D) = "white" {}
}
SubShader
{
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
// 纹理贴图类型属性
sampler2D _My2D;
struct a2v
{
//顶点坐标(基于模型空间)
float4 vertex:POSITION;
//顶点法线(基于模型空间)
float3 normal:NORMAL;
//纹理坐标(uv坐标)
float2 uv:TEXCOORD0;
};
struct v2f
{
//裁剪空间下的坐标
float4 position:SV_POSITION;
//顶点法线(基于模型空间)
float3 normal:NORMAL;
//纹理坐标(uv坐标)
float2 uv:TEXCOORD0;
};
// 顶点着色器函数，将a2v数据转换为v2f数据
v2f vert(a2v data)
{
//定义顶点着色器传递给片段着色器的数据结构体 需要传递给片元着色器的数据
v2f v2fData;
// 将顶点坐标转换为裁剪空间下的坐标
v2fData.position = UnityObjectToClipPos(data.vertex);
// 传递顶点法线
v2fData.normal = data.normal;
// 传递纹理坐标
v2fData.uv = data.uv;
return v2fData;
}
// 片段着色器函数，返回贴图对应uv的颜色
fixed4 frag(v2f data) : SV_Target
{
fixed4 color = tex2D(_My2D, data.uv);
return color;
}
ENDCG
}
}
}
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