一、內建包含檔案

　　Unity中有類似於C++的包含檔案.cginc，在編寫Shader時我們可以使用#include指令把這些檔案包含進來
這樣我們就可以使用Unity為我們提供的一些非常好用的函式、巨集和變數。

例如：#include"UnityCG.cginc"

包含檔案的位置：根目錄\Editor\Data\CGIncludes

知識點1：以下是Unity中常用包含檔案：
　　檔名 描述
　　1、UnityCG.cginc 包含最常用的幫助函式、巨集和結構體
　　2、UnityShaderVariables.cginc 在編譯Shader時，會被自動包含進來，包含了許多內建的全域性變數，如UNITY_MATRIX_MVP
　　3、Ligghting.cginc 包含了各種內建光照模型，如果編寫SurfaceShader的話，會被自動包含進來
　　4、HLSLSurport.cginc 在編譯Shader時，會被自動包含進來，聲明瞭很多跨平臺編譯的巨集和定義

　　Unity5.2引入了許多新的重要的包含檔案，如UnityStandardBRDF.cginc等。這些檔案用於實現基於物理的渲染

知識點2：UnityShader中常用的結構體

　　　　名稱 　　　　　　　　 描述 　　　　　　　　　　　　　包含的變數
　　appdata_base 　　　　用於頂點著色器輸入 　　　　 頂點位置、頂點法線、第一組紋理座標
　　appdata_tan 　　　　 用於頂點著色器輸入 　　　　 頂點位置、頂點切線、頂點法線、第一組紋理座標
　　appdata_full 　　　　用於頂點著色器輸入 　　　　 頂點位置、頂點切線、頂點法線、四組（或更多）紋理座標
　　appdata_img 　　　　 用於頂點著色器輸入 　　　　 頂點位置、第一組紋理座標
　　v2f_img 　　　　　　 用於頂點著色器輸出 　　　　 裁剪空間中的位置、紋理座標

struct appdata_img
{
　　float4 vertex : POSITION;
　　half2 texcoord : TEXCOORD0;
};

struct appdata_base 
{
　　float4 vertex : POSITION;
　　float3 normal : NORMAL;
　　float4 texcoord : TEXCOORD0;
};

struct appdata_tan 
{
　　float4 vertex : POSITION;
　　float4 tangent : TANGENT;
　　float3 normal : NORMAL;
　　float4 texcoord : TEXCOORD0;
};
 

struct appdata_full 
{
　　float4 vertex : POSITION;
　　float4 tangent : TANGENT;
　　float3 normal : NORMAL;
　　float4 texcoord : TEXCOORD0;
　　float4 texcoord1 : TEXCOORD1;
　　float4 texcoord2 : TEXCOORD2;
　　float4 texcoord3 : TEXCOORD3;
#if defined(SHADER_API_XBOX360)
　　half4 texcoord4 : TEXCOORD4;
　　half4 texcoord5 : TEXCOORD5;
#endif
　　fixed4 color : COLOR;
};

struct v2f_img
{
　　float4 pos : SV_POSITION;
　　half2 uv : TEXCOORD0;
};

知識點3：UnityShader中常用的幫助函式

　　　　　　函式名 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 描    述
float3 WorldSpaceViewDir(float4 v) 　　　　 　　  輸入一個模型頂點座標，得到世界空間中從該點到攝像機的觀察方向
float3 ObjSpaceViewDir(float4 v) 　　　　　　 　  輸入一個模型頂點座標，得到模型空間中從該點到攝像機的觀察方向
float3 WorldSpaceLightDir(float4 v) 　　　　　　   輸入一個模型頂點座標，得到世界空間中從該點到光源的光照方向（方向沒有歸一化，且只可用於前向渲染）
float3 ObjSpaceLightDir(float4 v) 　　　　　　 　  輸入一個模型頂點座標，得到模型空間中從該點到光源的光照方向（方向沒有歸一化，且只可用於前向渲染）
float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm)　　將法線從模型空間轉換到世界空間
float3 UnityObjectToWorldDir(in float3 dir) 　　　   把方向向量從模型空間轉換到世界空間
float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir) 　　　　   把方向向量從世界空間轉換到模型空間

知識點4：UnityShader中內建變數
                                                                     Unity內建變換矩陣
           變數名                                                                             描         述
UNITY_MATRIX_MVP 　　　　     當前模型*觀察*投影矩陣，用於將模型頂點/方向向量從模型空間轉換到裁剪空間
UNITY_MATRIX_MV 　　　　　   當前模型*觀察矩陣，用於將模型頂點/方向向量從模型空間轉換到觀察空間
UNITY_MATRIX_V 　　　　　　  當前觀察矩陣，用於將頂點/方向向量從世界空間變換到觀察空間
UNITY_MATRIX_P 　　　　　　  當前投影矩陣，用於將頂點/方向向量從觀察空間變換到裁剪空間
UNITY_MATRIX_VP 　　　　　　當前觀察*投影矩陣，用於將頂點/方向向量從世界空間變換到裁剪空間
UNITY_MATRIX_T_MV 　　　　  UNITY_MATRIX_MV轉置矩陣
UNITY_MATRIX_IT_MV 　　　　 UNITY_MATRIX_MV逆轉置矩陣，可將法線向量從模型空間轉換到觀察空間
_Object2World 　　　　　　　　 當前模型的矩陣，用於將模型頂點/方向向量從模型空間轉換到世界空間
_World2Object 　　　　　　         _Object2World逆矩陣，用於將模型頂點/方向向量從世界空間轉換到模型空間

另外：Unity還提供了能夠訪問時間、光照、霧效和環境光等目的的變數。這些內建變數大多UnityShaderVariables.cginc中，
跟光照有關的還定義在Lighting.cginc 和AutoLight.cginc中。

知識點5：

1、uint CreateShader(enum type) : 建立空的shader object; 
  type: VERTEX_SHADER, 
2、void ShaderSource(uint shader, sizeicount, const **string, const int *length)：載入shader原始碼進shader object；可能多個字串 
3、void CompileShader(uint shader)：編譯shader object； 
  shader object有狀態 表示編譯結果 
4、void DeleteShader( uint shader )：刪除 shader object; 
5、void ShaderBinary( sizei count, const uint *shaders, 
enum binaryformat, const void *binary, sizei length ): 載入預編譯過的shader 二進位制串； 
6、uint CreateProgram( void )：建立空的program object， programe object組織多個shader object，成為executable; 
7、void AttachShader( uint program, uint shader )：關聯shader object和program object； 
8、void DetachShader( uint program, uint shader )：解除關聯； 
9、void LinkProgram( uint program )：program object準備執行，其關聯的shader object必須編譯正確且符合限制條件； 
10、void UseProgram( uint program )：執行program object； 
11、void ProgramParameteri( uint program, enum pname, 
int value )： 設定program object的引數； 
12、void DeleteProgram( uint program )：刪除program object； 
13、shader 變數的qualifier: 
   預設：無修飾符，普通變數讀寫， 與外界無連線； 
   const：常量 const vec3 zAxis = vec3(0.0, 0.0, 1.0); 
   attribute: 申明傳給vertex shader的變數；只讀；不能為array或struct；attribute vec4 position; 
   uniform: 表明整個圖元處理中值相同；只讀； uniform vec4 lightPos; 
   varying: 被差值；讀寫； varying vec3 normal; 
   in, out, inout; 

shader變數的精度： 
   highp, mediump, lowp 

shader內建變數： 
   gl_Position: 用於vertex shader, 寫頂點位置；被圖元收集、裁剪等固定操作功能所使用； 
                其內部宣告是：highp vec4 gl_Position; 
   gl_PointSize: 用於vertex shader, 寫光柵化後的點大小，畫素個數； 
                其內部宣告是：mediump float gl_Position; 
   gl_FragColor: 用於Fragment shader，寫fragment color；被後續的固定管線使用； 
                 mediump vec4 gl_FragColor; 
   gl_FragData: 用於Fragment shader，是個陣列，寫gl_FragData[n] 為data n；被後續的固定管線使用； 
                 mediump vec4 gl_FragData[gl_MaxDrawBuffers]; 
   gl_FragColor和gl_FragData是互斥的，不會同時寫入； 
   gl_FragCoord: 用於Fragment shader,只讀， Fragment相對於視窗的座標位置 x,y,z,1/w; 這個是固定管線圖元差值後產生的；z 是深度值; mediump vec4 gl_FragCoord; 
   gl_FrontFacing: 用於判斷 fragment是否屬於 front-facing primitive；只讀； 
                   bool gl_FrontFacing;   
   gl_PointCoord: 僅用於 point primitive; mediump vec2 gl_PointCoord; 

shader內建常量： 
   const mediump int gl_MaxVertexAttribs = 8; 
   const mediump int gl_MaxVertexUniformVectors = 128; 
   const mediump int gl_MaxVaryingVectors = 8; 
   const mediump int gl_MaxVertexTextureImageUnits = 0; 
   const mediump int gl_MaxCombinedTextureImageUnits = 8; 
   const mediump int gl_MaxTextureImageUnits = 8; 
   const mediump int gl_MaxFragmentUnitformVectors = 16; 
   const mediump int gl_MaxDrawBuffers = 1; 

shader內建數學函式： 
   一般預設都用弧度； 
   radians(degree) : 角度變弧度； 
   degrees(radian) : 弧度變角度； 
   sin(angle), cos(angle), tan(angle) 
   asin(x): arc sine, 返回弧度 [-PI/2, PI/2]; 
   acos(x): arc cosine,返回弧度 [0, PI]; 
   atan(y, x): arc tangent, 返回弧度 [-PI, PI]; 
   atan(y/x): arc tangent, 返回弧度 [-PI/2, PI/2]; 
  
   pow(x, y): x的y次方； 
   exp(x): 指數, log(x)： 
   exp2(x): 2的x次方， log2(x): 
   sqrt(x): x的根號； inversesqrt(x): x根號的倒數 
  
   abs(x): 絕對值 
   sign(x): 符號, 1, 0 或 -1 

    {sign(x)或者Sign(x)叫做符號函式，在數學和計算機運算中，其功能是取某個數的符號(正或負): 
    當x>0，sign(x)=1; 
    當x=0，sign(x)=0; 
    當x<0， sign(x)=-1;}    floor(x): 底部取整 
   ceil(x): 頂部取整 
   fract(x): 取小數部分 
   mod(x, y): 取模， x - y*floor(x/y) 
   min(x, y): 取最小值 
   max(x, y): 取最大值 
   clamp(x, min, max):  min(max(x, min), max); 
   mix(x, y, a): x, y的線性混疊， x(1-a) + y*a; 
   step(edge, x): 如 x 
   smoothstep(edge0, edge1, x): threshod  smooth transition時使用。 edge0<=edge0時為0.0， x>=edge1時為1.0 
  
   length(x): 向量長度 
   distance(p0, p1): 兩點距離， length(p0-p1); 
   dot(x, y): 點積，各分量分別相乘 後 相加 
   cross(x, y): 差積，x[1]*y[2]-y[1]*x[2], x[2]*y[0] - y[2]*x[0], x[0]*y[1] - y[0]*x[1] 
   normalize(x): 歸一化， length(x)=1; 
   faceforward(N, I, Nref): 如 dot(Nref, I)< 0則N, 否則 -N 
   reflect(I, N): I的反射方向， I -2*dot(N, I)*N, N必須先歸一化 
   refract(I, N, eta): 折射，k=1.0-eta*eta*(1.0 - dot(N, I) * dot(N, I)); 如k<0.0 則0.0，否則 eta*I - (eta*dot(N, I)+sqrt(k))*N 
  
   matrixCompMult(matX, matY): 矩陣相乘, 每個分量 自行相乘， 即 r[j] = x[j]*y[j]; 
                              矩陣線性相乘，直接用 * 
    
   lessThan(vecX, vecY): 向量 每個分量比較 x < y 
   lessThanEqual(vecX, vecY): 向量 每個分量比較 x<=y 
   greaterThan(vecX, vecY): 向量 每個分量比較 x>y 
   greaterThanEqual(vecX, vecY): 向量 每個分量比較 x>=y 
   equal(vecX, vecY): 向量 每個分量比較 x==y 
   notEqual(vecX, vexY): 向量 每個分量比較 x!=y 
   any(bvecX): 只要有一個分量是true， 則true 
   all(bvecX): 所有分量是true， 則true 
   not(bvecX): 所有分量取反 
  
   texture2D(sampler2D, coord): texture lookup 
   texture2D(sampler2D, coord, bias): LOD bias, mip-mapped texture 
   texture2DProj(sampler2D, coord): 
   texture2DProj(sampler2D, coord, bias): 
   texture2DLod(sampler2D, coord, lod): 
   texture2DProjLod(sampler2D, coord, lod): 
   textureCube(samplerCube, coord): 
   textureCube(samplerCube, coord, bias): 
   textureCubeLod(samplerCube, coord, lod):

Intrinsic Functions (DirectX HLSL)

The following table lists the intrinsic functions available in HLSL. Each function has a brief description, and a link to a reference page that has more detail about the input argument and return type.

表 3-1 HLSL內建函式

abs                         計算輸入值的絕對值。

acos                        返回輸入值反餘弦值。

all                           測試非0值。

any                         測試輸入值中的任何非零值。

asin                         返回輸入值的反正弦值。

atan                        返回輸入值的反正切值。

atan2                       返回y/x的反正切值。

ceil                         返回大於或等於輸入值的最小整數。

clamp                      把輸入值限制在[min, max]範圍內。

clip                         如果輸入向量中的任何元素小於0，則丟棄當前畫素。

cos                         返回輸入值的餘弦。

cosh                       返回輸入值的雙曲餘弦。

cross                      返回兩個3D向量的叉積。

ddx                         返回關於螢幕座標x軸的偏導數。

ddy                         返回關於螢幕座標y軸的偏導數。

degrees                   弧度到角度的轉換

determinant              返回輸入矩陣的值。

distance                   返回兩個輸入點間的距離。

dot                          返回兩個向量的點積。

exp                         返回以e為底數，輸入值為指數的指數函式值。

exp2                       返回以2為底數，輸入值為指數的指數函式值。

faceforward             檢測多邊形是否位於正面。

floor                       返回小於等於x的最大整數。

fmod                       返回a / b的浮點餘數。

frac                        返回輸入值的小數部分。

frexp                       返回輸入值的尾數和指數

fwidth                     返回 abs ( ddx (x) + abs ( ddy(x))。

isfinite                     如果輸入值為有限值則返回true，否則返回false。

isinf                        如何輸入值為無限的則返回true。

isnan                       如果輸入值為NAN或QNAN則返回true。

ldexp                       frexp的逆運算，返回 x * 2 ^ exp。

len / lenth                返回輸入向量的長度。

lerp                         對輸入值進行插值計算。

lit                            返回光照向量（環境光，漫反射光，鏡面高光，1）。

log                          返回以e為底的對數。

log10                      返回以10為底的對數。

log2                        返回以2為底的對數。

max                        返回兩個輸入值中較大的一個。

min                         返回兩個輸入值中較小的一個。

modf                       把輸入值分解為整數和小數部分。

mul                         返回輸入矩陣相乘的積。

normalize                 返回規範化的向量，定義為 x / length(x)。

pow                        返回輸入值的指定次冪。

radians                    角度到弧度的轉換。

reflect                     返回入射光線i對錶面法線n的反射光線。

refract                     返回在入射光線i，表面法線n，折射率為eta下的折射光線v。

round                      返回最接近於輸入值的整數。

rsqrt                       返回輸入值平方根的倒數。

saturate                   把輸入值限制到[0, 1]之間。

sign                        計算輸入值的符號。

sin                          計算輸入值的正弦值。

sincos                     返回輸入值的正弦和餘弦值。

sinh                        返回x的雙曲正弦。

smoothstep              返回一個在輸入值之間平穩變化的插值。

sqrt                         返回輸入值的平方根。

step                        返回（x >= a）? 1 : 0。

tan                          返回輸入值的正切值。

fanh                        返回輸入值的雙曲線切線。

transpose                 返回輸入矩陣的轉置。

tex1D*                    1D紋理查詢。

tex2D*                    2D紋理查詢。

tex3D*                    3D紋理查詢。

texCUBE*                立方紋理查詢。