Unity Shader学习5 —— Cg语言的基础

Posted 2023-01-16 河乐不为

       我们知道了进行Shader编程的Shader Lab语言有三种，分别是：OpenGL的GLSL、Direct3D的HLSL和NAVIDIA公司的Cg语言。

       由于Cg编写的程序可以不作任何处理就能同时在OpenGL和Direct3D上运行，所以我选择了Cg作为开发Shader的编程语言，接下来就来了解Cg的一些基本特性。

一、Cg的编译方式：

1.编译：

        编译程序：

        计算机只能理解和执行由 0 、 1 序列（电压序列）构成的机器语言，所以汇编语言和高级语言程序都需要进行翻译才能被计算机所理解， 担负这一任务的程序称为语言处理程序，通常也被称为编译程序。

        静态编译：

        一旦编译后，除非改变程序代码，否则不需要重新编译，这种方式称为静态编译（ static compilation ） 。静态编译最重要的特征是：一旦编译为可执行文件，在可执行文件运行期间不再需要源码信息。

        动态编译：

        编译程序和源码都要参与到程序的运行过程中。

        Cg通常采用动态编译的方式（Cg也支持静态编译方式），即在宿主程序运行时，利用Cg运行库（Cg Runtimer Library）动态编译Cg代码。使用动态编译的方式，可以将Cg程序当做一个脚本，随时修改随时运行，节省时间，在OGRE图形引擎中就采用了这种方式。

2.Cg编译器：

        Cg 编译器首先将 Cg 程序翻译成可被图形 API （ OpenGL 和 Direct3D ）所接受的形式， 然后应用程序使用适当的 OpenGL 和 Direct3D 命令将翻译后的 Cg 程序传递给图形处理器， OpenGL 和 Direct3D 驱动程序最后把它翻译成图形处理器所需要的硬件可执行格式。NVIDIA 提供的 Cg 编译器为 cgc.exe。

        安装Cg ToolKit之后，在NAVIDIA Corporation\\Cg\\bin文件夹下，就能找到cgc.exe文件。各种命令：

        Cg程序编译的命令：cgc [options] file 

—— [options]表示可选配置项，file 表示 Cg 程序文件名。

       例如，比较典型的编译方式：cgc -profile glslv -entry main_v test.cg 

—— -profile是profile配置项名； glslv是当前所使用的profile名称； -entry着色程序的入口函数名称配置项；main_v 是顶点着色程序的入口函数名；test.cg 是当前的着色程序文件名（必须带后缀名）。

        将Cg语言所写的着色程序转换为使用GLSL或HLSL所编写的程序：

        cgc –profile glslv –o direct.glsl –entry main_v test.cg

—— 表示编译文件 test.cg 中的顶点着色程序， 入口函数名为 main_v ， 并将顶点着色程序转换为 glsl 程序，然后保存成文件 direct.glsl 。

备注：GPU编程，是无法跟踪调试着色程序的，一个着色程序，语法错误可以通过编译器发现，但是代码的逻辑错误只能认为查找。

3.Cg Profiles：

        Cg 程序的编译不但依赖于宿主程序所使用的三维编程接口，而且依赖于图形硬件环境，因为图形硬件自身的限制，不一定支持某种 Cg 语句。

        被特定的图形硬件环境或 AIP 所支持的 Cg 语言子集，被称为Cg Profiles 。profile分为：顶点程序的profile和片段程序的profile，所以编译顶点着色程序时必须选用当前图形硬件支持的顶点profile ，同理，编译片段着色程序时必须选用当前图形硬件支持的片段profile 。顶点 profile 和片段 profile 又基于 OpenGL 和 DirectX 的不同版本或扩展，划分为各种版本。

        当前 Cg compiler 所支持的 profiles 有：

OpenGL ARB vertex programs
        Runtime profile: CG_PROFILE_ARBVP1
        Compiler option: _profile arbvp1
OpenGL ARB fragment programs
        Runtime profile: CG_PROFILE_ARBFP1
        Compiler option: _profile arbfp1
......

        

二、CG数据类型：

1.基本数据类型：Cg支持7种基本的数据类型，分别是：

• float， 32 位浮点数据，一个符号位。浮点数据类型被所有的 profile 支持

• half，16 为浮点数据

• int，32 位整形数据，有些 profile 会将 int 类型作为 float 类型使用

• fixed，12 位定点数，被所有的 fragment profiles 所支持

• bool，布尔数据，通常用于 if 和条件操作符（ ?: ） ，布尔数据类型被所有的
  profiles 支持

• simpler*， 纹理对象的句柄（ the handle to a texture object ） ，分为 6 类：
  sampler, sampler1D, sampler2D, sampler3D, samplerCUBE, 和 samplerRECT 。DirectX profiles 不支持 samplerRECT 类型， 除此之外这些类型被所有的 pixelprofiles 和 NV40 vertex program profile 所支持（ CgUsersManual 30 页） 。由此可见，在不远的未来，顶点程序也将广泛支持纹理操作

• string，字符类型，该类型不被当前存在的 profile 所支持，实际上也没有必要在 Cg 程序中用到字符类型，但是你可以通过 Cg runtime API 声明该类型变量，并赋值；因此，该类型变量可以保存 Cg 文件的信息。

        前6种类型为常用类型，string类型几乎不使用。此外，Cg还提供了内置的向量数据类型 (built-in vector data types) ，内置的向量数据类型基于基础数据类型。 例如： float4， 表示 float 类型的 4 元向量； bool4， 表示 bool类型 4 元向量。         注意： 向量最长不能超过 4 元， 即在 Cg 程序中可以声明 float1 、 float2 、 float3 、float4 类型的数组变量，但是不能声明超过 4 元的向量。         向量初始化方式一般为：

    float4 array = float4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);

        较长的向量还可以通过较短的向量进行构建：

    float2 a = float2(1.0, 1.0);
    float4 b = float4(a, 0.0, 0.0);

        此外，Cg还提供矩阵数据类型，不过最大的维数不能超过4*4阶，例如：

    float1x1 matrix1;//等价于 float matirx1; x 是字符，并不是乘号！
    float2x3 matrix2;// 表示 2*3 阶矩阵，包含 6 个 float 类型数据
    float4x2 matrix3;// 表示 4*2 阶矩阵，包含 8 个 float 类型数据
    float4x4 matrix4;//表示 4*4 阶矩阵，这是最大的维数

        矩阵初始化：

   float2x3 matrix5 = 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0;

        在Cg中，向量、矩阵与数组是完全不同的，向量和矩阵是内置的数据类型，而数据则是一种数据结构。

2.数组：

        数组数据类型在Cg中的作用：作为函数的形参，用于大量数据的传递，例如：顶点参数数组、光照参数数据等。         一维数组：

    float a[10];//声明了一个数组，包含 10 个 float 类型数据
    float a[4] = 1.0, 2.0, 3.0, 4.0; //初始化一个数组
    int length = a.length;//获取数组长度

        多维数组：

    float b[2][3] = 0.0, 0.0, 0.0,1.0, 1.0, 1.0;
    int length1 = b.length; // length1 值为 2
    int length2 = b[0].length; // length2 值为 3

   

3.结构体：        结构体的声明以关键字 struct 开始，然后紧跟结构体的名字，接下来是一个大括号，并以分号结尾（不要忘了分号） 。大括号中是结构体的定义，分为两大类：成员变量和成员函数。例如：

    struct myAdd
    
        float val;
        float add(float x)
        
            return val + x;
        
    ;

    myAdd s;

        使用符号“.”引用结构体的成员变量和成员函数：

    float a = s.value;
    float b = s.add(a);

        一般来说 ,Cg 的源代码都会在文件首部定义二个结构体，分别用于定义输人和输出的类型，这二个结构体定义与普通的 C 结构定义不同，除了定义结构体成员的数据类型外，还定义了该成员的绑定语义类型( Binding Semantics) ，所谓绑定语义类型是为了与宿主环境进行数据交换的时候识别不同数据类型的。 目前Cg 支持的绑定语义类型包括 POSTION 位置 ) ， COLOR( 颜色 ) ， NORMAL( 法向量 ) ， Texcoord( 纹理坐标 ) 等类型。

4.类型转换：

        Cg 中的类型转换和 C 语言中的类型转换很类似。 C 语言中类型转换可以是强制类型转换，也可以是隐式转换，如果是后者，则数据类型从低精度向高精度转换。在 Cg 语言中也是如此。

    float a = 1.0;
    half b = 2.0;
    float c = a+b; //等价于 float c = a + (float)b;

         当有类型变量和无类型常量数据进行运算时，该常量数据不做类型转换，例如：

    float a = 1.0;
    float b = a + 2.0; //2.0 为无类型常量数据，编译时作为 float 类型

         Cg 语言中对于常量数据可以加上类型后缀，表示该数据的类型，例如：

    float a = 1.0;
    float b = a + 2.0h; //2.0h 为 half 类型常量数据，运算是需要做类型转换

        常量的类型后缀有3种：

• f：表示float

• h：表示half

• x：表示fixed