26.CG语法内置文件

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  1. 26.CG-内置文件
    1. 26.1 知识点
      1. CG内置文件的位置和作用
      2. 如何使用CG内置文件
      3. 常用内容
        1. 方法(UnityCG.cginc中)
        2. 结构体(UnityCG.cginc中)
          1. 结构体使用示例
        3. 变换矩阵宏(UnityShaderVariables.cginc中)
          1. 变换矩阵宏使用示例
        4. 变量
      4. 总结
    2. 26.2 知识点代码
      1. Lesson26_CG_内置文件
      2. Lesson26_NewUnlitShader

26.CG-内置文件

26.1 知识点

CG内置文件的位置和作用

  • 在Unity的安装目录中，可以找到CG内置文件，它们位于Unity版本号->Editor—>Data—>CGIncludes目录中。

  • 这些文件的后缀为.cginc，是CG语言内置文件。

  • 这些文件是预定义的Shader文件，包含了一些已经写好的Shader相关逻辑。

  • 和CG内置函数一样，这些文件可以提升我们的Shader开发效率，我们可以直接使用其中的方法等内容来进行逻辑开发。

  • Unity中常用的内置文件有：

    • UnityCG.cginc：包含最常用的帮助函数、宏和结构体等。
    • Lighting.cginc：包含各种内置光照模型。如果编写的是Surface Shader（标准表面着色器），会自动包含进来。
    • UnityShaderVariables.cginc：编译UnityShader时，会自动包含进来。包含许多内置的全局变量。
    • HLSLSupport.cginc：编译UnityShader时，会自动包含进来。声明了很多用于跨平台编译的宏和定义等等。

  • 尝试用sublimetext打开UnityCG.cginc，可以看到无非是用CG语法帮我们写好了常用的帮助函数、宏和结构体

如何使用CG内置文件

  • 在CG语句块中进行引用，通过编译指令 #include "内置文件名.cginc" 的形式进行引用，我们便可以在CG语言中使用其中的内容。

  • 注意：一些常用的函数、宏、变量，可以不用引用，Unity会在编译时自动识别。但是为了避免报错，建议都引用。

  • “宏”通常指的是一种预处理指令或代码片段，用于在代码中进行文本替换。宏允许程序员定义一个标识符（通常以大写字母表示）来代表一个代码片段，然后在编译时将这个标识符替换为相应的代码，这种替换过程称为宏展开。

  • 说人话：就是为一些代码片段，取一个别名，方便使用。在真正编译时在把这个别名翻译成对应的代码。

  • 使用CG内置文件代码示例

SubShader
{
    Pass
    {
        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag

        #include "UnityCG.cginc"
        
         //...
        ENDCG
    }
}

常用内容

方法(UnityCG.cginc中)

  • float3 WorldSpaceViewDir(float4 v): 输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到摄像机的观察方向。
  • float3 ObjSpaceViewDir(float4 v): 输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到摄像机的观察方向。
  • float3 WorldSpaceLightDir(float4 v): 仅用于向前渲染中。输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向。（返回值没有被归一化）
  • float3 ObjSpaceLightDir(float4 v): 仅用于向前渲染中。输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到光源的光照方向。（返回值没有被归一化）
  • float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm): 把法线方向从模型空间转换到世界空间中。
  • float3 UnityObjectToWorldDir(in float3 dir): 把方向矢量从模型空间转换到世界空间中。
  • float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir): 把方向矢量从世界空间转换到模型空间中。

结构体(UnityCG.cginc中)

  • appdata_base: 用于顶点着色器输入，包含顶点位置、顶点法线、第一组纹理坐标。
  • appdata_tan: 用于顶点着色器输入，包含顶点位置、顶点法线、顶点切线、第一组纹理坐标。
  • appdata_full: 用于顶点着色器输入，包含顶点位置、顶点法线、顶点切线、四组（或更多）纹理坐标。
  • appdata_img: 用于顶点着色器输入，包含顶点位置、第一组纹理坐标。
  • v2f_img: 用于顶点着色器输出，包含裁剪空间中的位置、纹理坐标。
结构体使用示例
  • 之前我们是自己声明结构体在顶点函数中使用的和片元函数
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;
}
  • 现在直接可以在顶点函数和片元函数中使用定义好的appdata_base和v2f_img结构体
//使用UnityCG.cginc内置结构体v2f_img和appdata_base
v2f_img vert(appdata_base 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_img v2fData;
    // 将顶点坐标转换为裁剪空间下的坐标
    v2fData.pos = UnityObjectToClipPos(data.vertex);
    // v2fData.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,data.vertex);
    
    // 传递顶点法线 v2f_img结构体中不存在normal 注释
    // v2fData.normal = data.normal;

    // 传递纹理坐标
    v2fData.uv = data.texcoord;

    return v2fData;
}

//使用UnityCG.cginc内置结构体v2f_img和appdata_base
fixed4 frag(v2f_img data) : SV_Target
{
    fixed4 color = tex2D(_My2D, data.uv);
    return color;
}
  • 完整代码如下
Shader "ShaderTeach/Lesson26_NewUnlitShader"
{
    Properties
    {
        // 纹理贴图类型属性
        _My2D("My2D", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            // 纹理贴图类型属性
            sampler2D _My2D;

            //使用UnityCG.cginc内置结构体v2f_img和appdata_base
            v2f_img vert(appdata_base 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_img v2fData;
                // 将顶点坐标转换为裁剪空间下的坐标
                v2fData.pos = UnityObjectToClipPos(data.vertex);
                // v2fData.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,data.vertex);
                
                // 传递顶点法线 v2f_img结构体中不存在normal 注释
                // v2fData.normal = data.normal;

                // 传递纹理坐标
                v2fData.uv = data.texcoord;

                return v2fData;
            }

            //使用UnityCG.cginc内置结构体v2f_img和appdata_base
            fixed4 frag(v2f_img data) : SV_Target
            {
                fixed4 color = tex2D(_My2D, data.uv);
                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

变换矩阵宏(UnityShaderVariables.cginc中)

坐标空间变换顺序：模型空间 -> 世界空间 -> 观察空间 -> 裁剪空间 -> 屏幕空间。

  • UNITY_MATRIX_MVP: 当前的模型观察投影矩阵，用于将顶点/方向向量从模型空间变换到裁剪空间中。

  • UNITY_MATRIX_MV: 当前的模型*观察矩阵，用于将顶点/方向向量从模型空间变换到观察空间中。

  • UNITY_MATRIX_V: 当前的观察矩阵，用于将顶点/方向向量从世界空间变换到观察空间中。

  • UNITY_MATRIX_P: 当前的投影矩阵，用于将顶点/方向向量从观察空间变换到裁剪空间中。

  • UNITY_MATRIX_VP: 当前的观察*投影矩阵，用于将顶点/方向向量从世界空间变换到裁剪空间中。

  • UNITY_MATRIX_T_MV: UNITY_MATRIX_MV的转置矩阵。

  • UNITY_MATRIX_IT_MV: UNITY_MATRIX_MV的逆转置矩阵，用于将法线从模型空间变换到观察空间，也可用于得到UNITY_MATRIX_MV的逆矩阵。

  • _Object2World: 当前的模型矩阵，用于将顶点/方向矢量从模型空间变换到世界空间。

  • _World2Object: _Object2World的逆矩阵，用于将顶点/方向矢量从世界空间变换到模型空间。

  • 注意：

    • Unity5.5版本中_Object2World已经变成unity_ObjectToWorld，_World2Object也变成了unity_WorldToObject。
    • 但由于Unity的向下兼容性，Unity会自动改写它们，不会出错。如下是自动改后的提示，出现在代码最上方。
变换矩阵宏使用示例
//使用UnityCG.cginc内置结构体v2f_img和appdata_base
v2f_img vert(appdata_base data)
{
    //...

    //把模型的点转换成世界坐标
    float worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,data.vertex);
    
    //...
}

变量

  • _Time (不用引用，直接使用即可): 自关卡加载以来的时间（t/20、t、t2、t3）用于对着色器内的事物进行动画处理。
  • _LightColor0 (向前渲染时，UnityLightingCommon.cginc；延迟渲染，UnityDeferredLibrary.cginc): 光的颜色等等。

总结

26.2 知识点代码

Lesson26_CG_内置文件

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class Lesson26_CG_内置文件 : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        #region 知识点一 CG内置文件的位置和作用

        //我们可以在Unity的安装目录中找到CG内置文件
        //在Editor—>Data—>CGIncludes中
        //后缀为cginc的文件为CG语言内置文件
        //后缀为glslinc的文件为GLSL语言内置文件

        //他们是预定义的Shader文件
        //里面包含了一些已经写好的Shader相关逻辑
        //作用和CG内置函数一样，可以提升我们的Shader开发效率
        //可以直接使用其中的方法等内容来进行逻辑开发

        //Unity中常用的内置文件有
        //1.UnityCG.cginc                     包含最常用的帮助函数、宏和结构体等
        //2.Lighting.cginc                    包含各种内置光照模型。如果编写的是Surface Shader(标准表面着色器），会自动包含进来
        //3.UnityShaderVariables.cginc        编译UnityShader时，会自动包含进来。包含许多内置的全局变量
        //4.HLSLSupport.cginc                 编译UnityShader时，会自动包含进来。声明了很多用于跨平台编译的宏和定义
        //等等

        #endregion

        #region 知识点二 如何使用CG内置文件

        //在CG语句块中进行引用
        //通过编译指令
        //#include "内置文件名.cginc"
        //的形式进行引用
        //我们便可以在CG语言中使用其中的内容

        //注意：一些常用的函数、宏、变量，可以不用引用，Unity会在编译时自动识别
        //     但是为了避免报错，建议都引用

        //"宏"通常指的是一种预处理指令或代码片段，用于在代码中进行文本替换。
        //宏允许程序员定义一个标识符（通常以大写字母表示）来代表一个代码片段，
        //然后在编译时将这个标识符替换为相应的代码，这种替换过程称为宏展开。

        //说人话：就是为一些代码片段，取一个别名，方便使用。在真正编译时在把这个别名翻译成对应的代码。

        #endregion

        #region 知识点三 常用内容

        #region 方法(UnigyCG.cginc中)

        //1.float3 WorldSpaceViewDir(float4 v)
        //  输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到摄像机的观察方向

        //2.float3 ObjSpaceViewDir(float4 v)
        //  输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到摄像机的观察方向

        //3.float3 WorldSpaceLightDir(float4 v)
        //  仅用于向前渲染中。输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向。（返回值没有被归一化）

        //4.flaot3 ObjSpaceLightDir(float4 v)
        //  仅用于向前渲染中。输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到光源的光照方向。（返回值没有被归一化）

        //5.float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm)
        //  把法线方向从模型空间转换到世界空间中

        //6.float3 UnityObjectToWorldDir(in float3 dir)
        //  把方向矢量从模型空间转换到世界空间中

        //7.float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir)
        //  把方向矢量从世界空间转换到模型空间中

        //等等

        #endregion

        #region 结构体(UnigyCG.cginc中)

        //1.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

        //2.appdata_tan
        //  用于顶点着色器输入
        //  顶点位置、顶点法线、顶点切线、第一组纹理坐标

        //3.appdata_full
        //  用于顶点着色器输入
        //  顶点位置、顶点法线、顶点切线、四组（或更多）纹理坐标

        //4.appdata_img
        //  用于顶点着色器输入
        //  顶点位置、第一组纹理坐标

        //5.v2f_img
        //  用于顶点着色器输出
        //  裁剪空间中的位置，纹理坐标

        //等等

        #endregion

        #region 变换矩阵宏(UnityShaderVariables.cginc中)

        //坐标空间变换顺序
        //  模型空间 -> 世界空间 -> 观察空间 -> 裁剪空间 -> 屏幕空间

        //1.UNITY_MATRIX_MVP
        //  当前的模型*观察*投影矩阵，用于将顶点/方向向量从模型空间变换到裁剪空间中

        //2.UNITY_MATRIX_MV
        //  当前的模型*观察矩阵，用于将顶点/方向向量从模型空间变换到观察空间中

        //3.UNITY_MATRIX_V
        //  当前的观察矩阵，用于将顶点/方向向量从世界空间变换到观察空间中

        //4.UNITY_MATRIX_P
        //  当前的投影矩阵，用于将顶点/方向向量从观察空间变换到裁剪空间中

        //5.UNITY_MATRIX_VP
        //  当前的观察*投影矩阵，用于将顶点/方向向量从世界空间变换到裁剪空间中

        //6.UNITY_MATRIX_T_MV
        //  UNITY_MATRIX_MV的转置矩阵

        //7.UNITY_MATRIX_IT_MV
        //  UNITY_MATRIX_MV的逆转置矩阵，用于将法线从模型空间变换到观察空间，也可用于得到UNITY_MATRIX_MV的逆矩阵

        //8._Object2World
        //  当前的模型矩阵，用于将顶点/方向矢量从模型空间变换到世界空间

        //9._World2Object
        //  _Object2World的逆矩阵，用于将顶点/方向矢量从世界空间变换到模型空间

        //等等

        #endregion

        #region 变量

        //1._Time (不用引用，直接使用即可)
        //  自关卡加载以来的时间（t/20、t、t*2、t*3）用于对着色器内的事物进行动画处理
        //2._LightColor0 (向前渲染时，UnityLightingCommon.cginc；延迟渲染，UnityDeferredLibrary.cginc)
        //  光的颜色
        //等等

        #endregion

        #endregion

        #region 总结

        //CG中的内置文件和内置函数一样
        //是用于帮助我们进行Shader开发的
        //利用其中的函数、宏、全局变量等内容
        //可以提升我们Shader的开发效率
        //我们需要做的是，将这些常用内容记到笔记中
        //之后进行查阅
        //如果想要了解更多的内置内容可以参阅Unity官网的资料
        //内置文件相关：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-BuiltinIncludes.html
        //函数相关：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-BuiltinFunctions.html
        //宏相关：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-BuiltinMacros.html
        //变量相关：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-UnityShaderVariables.html

        #endregion
    }
}

Lesson26_NewUnlitShader

Shader "ShaderTeach/Lesson26_NewUnlitShader"
{
    Properties
    {
        // 纹理贴图类型属性
        _My2D("My2D", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            // 纹理贴图类型属性
            sampler2D _My2D;

            //使用UnityCG.cginc内置结构体v2f_img和appdata_base
            v2f_img vert(appdata_base 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_img v2fData;
                // 将顶点坐标转换为裁剪空间下的坐标
                v2fData.pos = UnityObjectToClipPos(data.vertex);
                // v2fData.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,data.vertex);

                //把模型的点转换成世界坐标
                float worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,data.vertex);
                
                // 传递顶点法线 v2f_img结构体中不存在normal 注释
                // v2fData.normal = data.normal;

                // 传递纹理坐标
                v2fData.uv = data.texcoord;

                return v2fData;
            }

            //使用UnityCG.cginc内置结构体v2f_img和appdata_base
            fixed4 frag(v2f_img data) : SV_Target
            {
                fixed4 color = tex2D(_My2D, data.uv);
                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
}
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