1 Cg語法基礎

如C++、C#和Java等高級語言一樣，Cg語言也有自己的數據類型和關鍵字。掌握和理解這些關鍵字是寫好Cg程序的基礎。

1.2、Cg的數據類型與關鍵字

基本數據類型：Cg支持7種基本的數據類型

1、float，32位浮點數據，一個符號位。浮點數據類型被所有的圖形接口支持；
2、half，16位浮點數據；
3、int，32位整形數據
4，fixed，12位定點數，
5、bool,布爾數據，被所有的圖形接口支持；
6、sampler*,紋理對象的句柄，分爲sampler、sampler1D、sampler2D、sampler3D、samplerCUBE和samplerRECT。

內置的數據類型：基於基礎數據類型，如float3，表示float類型的三維向量；同理，bool2表示布爾類型的二維向量。
注：向量最長不能超過四元，如float5 vector;//編譯錯誤

向量的賦值，float2 a=float(1.0,1.0); //編譯通過
float2 a=float(1.0f,1.0f); //編譯錯誤
float3 b=float(a,0.0); //編譯通過
矩陣數據類型，float1X1 m1; //即float m1，一維矩陣
float3X4 m34 //34階矩陣
注：X是字符，不是乘號，最大的維數爲44階
float3 x和floatx[3]是不同的，前者爲向量是內置的數據類型，而數組則是一種數據結構，不是內置的數據類型。

類型轉換：Cg中的類型轉換有強制轉換和隱式轉換；如果是隱式轉換則數據類型從低精度向高精度轉換。如：
float a=1.0;
half b=2.0;
float c=a+b; //等價於float c=a+(float)b；

Cg語言中可以對常量數據加上類型後綴表示該數據類型的數據，如：
float a=1.0h; //1.0h爲half類型常量數據

這樣的後綴類型有三種：

f:表示float;
h:表示half;
x:表示fixed;
Swizzle操作符：Cg語言中的其他操作符和高級CPU語言C++類似，包括關係操作符、邏輯操作符和位移操作符以及條件操作符。而Swizzle操作符是Cg語言中特有的，它可以將一個向量的成員取出組成一個新的向量。對於座標或者角度等其他多維向量，Swizzle操作符（.)後接x、y、z、w分別表示原始向量的第一個、第二個、第三個和第四個元素；同樣，對於顏色可以後接r、g、b和a來表示同樣的索引。
例如：

          float4(a,b,c,d).xwz  等價於 float(a,d,c)

          float4(a,b,c,d).xxy  等價於 float(a,a,b)

輸入數據關鍵字：Cg中輸入數據流一般分爲兩類

1、varying 參數：在Cg程序中通過語義進行綁定變量， Cg語言提供了一組語義詞，用以表示參數是由頂點的那些數據初始化的，一旦這個變量使用了語義詞進行綁定，那麼這個變量值被初始化的同時也意味着它有了特殊的含義，如表示位置、法線等含義。語義提供了一種使用隨頂點變化或隨片段變化而變化的值來初始化Cg程序參數的方法，這些數據都是從應用程序輸入到GPU的數據，如頂點位置、法向量、紋理座標數據等。

2、Uniform參數：Uniform是用來限制一個變量的初始值的來源，當聲明一個變量爲Uniform類型的時候，表示這個變量的初始值來自於外部的其他環境。除了獲取初始值的這點之外，Uniform關鍵字聲明的變量和其他變量是完全一樣的。通常用Uniform來定義一些與三維渲染有關的離散信息數據，並通常不會隨着圖元信息的變化而變化，如材質對光的反射信息。Uniform表示一個參數，通常使用uniform表示函數的形參，不能定義一個uniform表示的局部變量。

Unity的內置Uniform輸入參數如下：
uniform float4 _Time, _SinTime, _CosTime; // 時間量
uniform float4 _ProjectionParams; // x = 1 or -1 (如果投影翻轉就是-1)

// y = 近平面; z = 遠平面; w = 1/遠平面
uniform float4 _ScreenParams; // x = width; y = height; z = 1 +1/width; w = 1 + 1/height
uniform float3_WorldSpaceCameraPos;
uniform float4x4 _Object2World; //模型矩陣
uniform float4x4 _World2Object; // 模型矩陣的逆
uniform float4 _LightPositionRange; // xyz = pos, w = 1/range
uniform float4 _WorldSpaceLightPos0; // 光源的位置和方向
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_MVP; // 模型視圖投影矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_MV; // 模型視圖矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_V; // 視圖矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_P; // 投影矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_VP; // 視圖投影矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_T_MV; // 模型視圖矩陣的轉置矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_IT_MV; // 模型視圖矩陣的逆矩陣的轉置矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE0; // 貼圖紋理矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE1; //貼圖紋理矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE2; //貼圖紋理矩陣
uniform float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE3; //貼圖紋理矩陣
uniform float4 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT; // 環境色

這些變量在Unity中可以直接使用，本章第三節中將會展現如何在Unity中使用這些內置的Uniform變量。

1.2 輸入輸出和語義

輸入輸出：在第一節中我們瞭解到對於程圖形渲染管線，可編程控制的部分只有兩個，頂點着色器和片段着色器。對於編程控制這兩個部分，首要的任務就是要怎麼給它們傳參數。Cg語言的參數傳遞同樣也有“值傳遞”和“引用傳遞”之分。因爲GPU不支持指針，所以Cg語言採用瞭如下的方式來修辭參數傳遞：

1、in:修辭一個形參只是用於輸入，進入函數體時被初始化，且該形參值的改變不會影響實參值，傳遞方式爲值傳遞。

2、out:修辭一個形參只是用於輸出，進入函數體時沒有被初始化，一般爲函數的返回值。

3、inout:修辭一個形參即用於輸入也用於輸出，這是典型的引用傳遞。

語義：表示圖元數據的含義（頂點的位置、法向量或者紋理信息），也表明這些圖元數據存放的硬件資源。因爲頂點着色器的輸出即是片段着色器的輸入，所以頂點着色器的輸出必須和片段着色器的輸入語義是一致的。語義是頂點程序和片段程序之間輸入輸出數據和寄存器之間的橋樑，因此語義只對這兩個處理階段有意義，並且只在入口函數纔有效，在內部函數無效。語義概念的提出和圖形流水線工作機制大有關係。從前面所講的GPU處理流程中可以看出，一個階段處理數據，然後傳輸給下一個階段，那麼每個階段之間的接口是如何確定的呢？例如：頂點處理器的輸入數據是處於模型空間的頂點數據（位置、法向量），輸出的是投影座標和光照顏色；片段處理器要將光照顏色做爲輸入，問題是“片段處理器怎麼知道光照顏色值的存放位置”。在高級語言中（C/C++），數據從接口的一端流向另一端，是因爲提供了數據存放的內存位置（通常是指針信息）；由於Cg 語言並不支持指針機制，且圖形硬件處理過程中，數據通常暫存在寄存器中，故而在Cg 語言中，通過引入語義綁定（binding semantics）機制，指定數據存放的位置，實際上就是將輸入輸出數據和寄存器做一個映射關係（在OpenGL Cg profiles 中是這樣的，但在DirectX-based Cgprofiles 中則並沒有這種映射關係）。根據輸入語義，圖形處理器從某個寄存器取數據；然後再將處理好的數據，根據輸出語義，放到指定的寄存器。
1、POSITIONSV_POSITION :模型座標的位置,
2、TANGENT:正交於表面法線的向量
3、NORMAL:表面法線向量，需要進行歸一化
4、TEXCOORDi：第i組紋理座標（也即UV座標，座標範圍在0_{1之間）,i是0}7中的一個數字
5、COLOR:顏色
6、PSIZE:點的大小
7、BLENDINDICES：通用屬性，可以用它和TANGENT來替換TEXCOORDi
注：SV_POSTION和POSTION的唯一區別是用在頂點着色器中作爲輸出語義時，SV_POSTION表示的頂點位置會被固定，不能被改變。如果作爲片段着色器的輸入語義就是一樣的，都可以被改變。

頂點着色器的輸出語義詞有：
1、COLOR:顏色
2、FOG:輸入霧座標
3、PSIZE
4、 POSITION
5、TEXCOORD0-TEXCOORD7

片段着色器的輸入語義即爲頂點着色器的輸出語義。

片段着色器的輸出語義如下：
1、COLOR：顏色
2、DEPTH：片段的深度

語言綁定的三種方法：

綁定語義放在函數的參數列表的參數聲明後面中：

[const][in|out|inout|uniform]<type><identifier>[:<binding-semantic>][=<initializer>]
void vert(float4 obj_position:POSITION,
float4 obj_normal:NORMAL,
out float4 outPos:POSITION,
uniform float4 uColor:COLOR){
...
}

其中，const作爲可選項，const修飾符同C和C++語言裏的一樣，表示這個變量的值是不能改變的；in、out、inout作爲可選項，說明數據的調用方式；

uniform也是可選項，表示變量的值的初始化是來自外部應用程序；type是必選項，聲明數據的類型；identifier是必選項，形參變量名:一個冒號“：”加上一個綁定語義，是可選項；最後是初始化參數，是可選項。

參數1、2、5綁定到輸入語義；參數3、4綁定到輸出語義；儘管參數1和3的綁定語義詞一樣，但前者是輸入語義，後者是輸出語義，所以這兩個參數數據所對應存儲的硬件位置是不一樣的。

綁定語義可以放在結構體的成員變量後面：

Struct<struct-tag>
{ 
	<type><identifier>[:binding-semantic>]; 
};

如在結構體vertexOutput中兩個成員變量分別綁定語義SV_POSITOIN和TEXCOORD0，這個結構體在頂點程序vert中作爲輸出，爲頂點程序的輸出語義，同時頂點程序的輸入即是片段程序的輸入，該結構體也爲片段程序的輸出語義

struct vertexOutput {
            float4 pos : SV_POSITION;
            float4 col : TEXCOORD0;
         };
vertexOutput vert(appdata_full input) 
         {
            vertexOutput output;
 
            output.pos =  mul(UNITY_MATRIX_MVP, input.vertex);
            output.col = input.texcoord;
 
            return output;
         }
 
         float4 frag(vertexOutput input) : COLOR 
         {
            return input.col; 
         }

綁定語義詞可以放在函數聲明的後面，其形式爲：

<type> <identifier> (<parameter-list>) [:<binding-semantic]
{
    <body>
}

如下面的代碼中，片段程序的後面帶有“COLOR”語義，表示該程序最後要返回一個顏色的值給GPU，所以在最後，返回的變量值類型是float4類型的。那這裏爲什麼不直接使用float4呢，語義綁定，顧名思義綁定的變量是要有含義的，直接使用發咯float4就不能理解它到達表示什麼含義，因爲float4類型的變量可以是顏色、位置等。

float4 frag(vertexOutput input) : COLOR 
         {
            float4 oColor =float4(1,0,0,1);
	     return oColor;
         }

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