解答UnityShader学习过程中的一些疑惑（持续更新中）

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Sator1/article/details/147590541

一、坐标系相关

shader中会有几种空间：
模型空间：有建模决定的，一般情况下以物体自己为中心原点，单位是unity的坐标单位
世界空间：就是unity的世界坐标
观察空间（视图空间）：以相机为中心的坐标系
裁剪空间：是一个4d空间，有x,y,z,w分量，x,y,z的范围，都是要在-w到w之间，否则会被裁剪。远处的物体的w值更大，靠近摄像机的w值更小.
NDC空间（归一化设备空间）：这个是一个三维空间，有x,y,z分量。在对裁剪空间的x,y,z分别除以w，得到一个[-1,1]之间的坐标范围，这个归一化坐标就是NDC坐标

为什么要有这个w值呢？我们需要实现透视效果，即近大远小，实现的逻辑是将x,y,z分别除以w，在得到NDC空间
因为靠近相机的坐标w值更小，除以w后更大，坐标之间的差距越大，绘制出来的图像看起来越大；
而远离摄像机的坐标w值更大，除以w后更小，坐标之间的差距越小，也就是汇聚于一点，这就使得物体看起来近大远小

二、坐标系在shader中的变化

在顶点着色器vert中，使用的是模型空间，在传入片元着色器之前，必须要先将这个模型坐标转换成裁剪空间下的坐标
这个转换过程是必须的，那么还要自己写转换，而不是shader自动做转换呢？因为我们可能会实现一些自定义效果，比如水面的波纹等效果

总结下坐标空间的通常用法如下：
模型空间：进入顶点着色器时传入的顶点坐标
世界空间：光照的坐标、光照的法线
裁剪空间：进入片元着色器时传入的坐标

三、unity shader语法

1.Shader代码结构

写shader时，先要有

Shader "NewMyShader"
{
}

上面这一段，表示的是声明一个shader文件，然后

Shader "NewMyShader"
{
	Properties
	{
		_Color("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
	}
}

上面这一段，表示我要声明一个可以在unity中编辑的变量，名字叫"Color"，他的类型是Color，他在shader中的名字是_Color
之后

Shader "NewMyShader"
{
	Properties
	{
		_Color("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
	}
	SubShader
	{
		Pass
		{
			
		}
	}
}

上面这一段，SubShader表示对某个显卡的支持，可以写多个SubShader，显卡会选择一个能用的执行
Pass表示一次渲染流程，一个SubShader可以有多个Pass，他们会进行渲染叠加

Shader "NewMyShader"
{
	Properties
	{
		_Color("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
	}
	SubShader
	{
		Pass
		{
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			ENDCG
		}
	}
}

上面这一段，CGPROGRAM和ENDCG是一对的，表示使用HLSL，HLSL是Direct3D的语言（unity默认使用Direct3D），openGL使用的语言是GLSL
#pragma表示预编译指令，这里他的意思是告诉GPU说使用vert函数作为顶点着色器，frag函数作为片元着色器，并非定义一个函数。这个预编译指令是必不可少的！如果没有则会找不到怎么渲染，导致渲染错误出现粉色
注意：#pragma和函数定义，是写在CGPROGAM里的

2.语法

strcut appdata
{
	float4 pos : POSITION;
	float2 uv : TEXTOORD0;
}
float4 vert(appdata data) : POSITION
{
	return UnityObjectToClipPos(data.pos);
}

float4 frag(v2f v) : SV_Target
{
	return float4(0, 0, 1, 1);
}

这一段是vert函数将顶点坐标转为裁剪坐标，其中vert的参数，可以自己定义需要哪些参数，参数写少了也不会报错。这里我要的是appdata类型的，他是一个struct
变量后面的 : POSITION表示的是语义，说明这个pos表示的是一个坐标
vert后面的 :POSITION也是，因为这里只返回了float4，所以需要给float4加上语义，如果返回一个struct，则不用添加语义
我们都知道顶点着色器的核心职责就是将模型坐标转换为裁剪坐标，所以这里vert只有一行代码就是转为裁剪坐标然后返回给frag
frag的返回值是一个渲染目标，一般都是float4，一个颜色

3.vert函数

vert是顶点着色器，他的职责就是要将顶点的模型坐标转为裁剪坐标。
vert函数可能会被调用多次，比如说cube虽然只有8个顶点，但是他有6个面，每个面4个顶点，所以最多是6*4=24次调用。因为虽然一个顶点会被3个面共享，但是这3个面的法线等参数都不一样，所以可能会被调用。不过不同的设备会进行优化，所以可能不会有24次顶点着色器的调用

4.frag函数

frag函数的传入参数，是由vert返回的，他的职责就是纹理采样，并且计算像素颜色。但是最终的渲染操作不是由frag执行的，而是后面的逐像素操作。
frag函数的返回值，一般都是一个渲染目标SV_Target，就是一个color
疑问：为什么经过frag函数计算后的颜色，呈现出来的效果是渐变颜色？因为在片元着色器的前一阶段：三角形遍历中，会将片元的深度做插值运算，这会导致最终的颜色是渐变的

四、各种语义对应什么

POSITION：模型坐标
SV_POSITION：裁剪空间下的裁剪坐标
SV_TARGET：渲染目标

五、Shader计算过程

1.float之间的乘法，遵循分量相乘，比如float4 f = (1,1,1,1) float4 f2 = (2,2,2,2) 结果是(12, 12, 12, 12)。不同阶之间不可计算，float4*float3会报错！

2.shader的unity_WorldToObject和unity_ObjectToWorld互为逆矩阵，他们相乘是单位矩阵

3.mul函数这个函数有很多坑！
首先要知道，任何情况下mul函数的返回值都是一个列向量
mul函数他的官方提示是：float4 mul(float4x4 M, float4 v)，也就是说正常情况下是矩阵在第一个参数，向量放在第二个参数。但是我们老是看到有一种写法是向量在左，矩阵在右，但是他们的结果其实确是完全相等的！这与数学中的矩阵相乘规则都不符！
其实mul函数不是单纯的数学中的两个矩阵相乘，而是做了很多处理。
当矩阵在左，向量在右时，是标准的数学的矩阵相乘，即向量为列向量；
而矩阵在右，向量在左时，出现问题了，如果是列向量，那么向量与矩阵根本没法相乘。所以这时向量被自动转为了行向量，但是这时再与矩阵相乘，就没法变为列向量了，只是行向量。所以这时mul函数做了处理，将右矩阵自动转为转置矩阵，此时再进行计算，结果才是相等的。
结论：两者计算结果通常都是一致的，但是我们都是将矩阵放在左边，向量放在右边减少不必要的计算

六、渲染相关

1.shader的环境光照：shader中的环境光照UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb，并非物体多次反射后的光照，而是一个全局的固定颜色的光照，任何角度都是这个光照，主要是为了保证性能

2.关于颜色的相乘和相加：
颜色相乘表示混合、过滤，并不会改变光照强度，比如红色×蓝色=紫色，绿×红=黄
颜色相加表示叠加，会改变光照强度，越叠加越接近白色（1,1,1,1）
同个颜色相乘表示提高对比度，让暗的地方更暗，亮的地方更亮。比如：0.20.2=0.04（更暗了），0.90.9=0.81（相对较亮）。所以我们经常会看见高光时pow(saturate(dot(-ref, viewDir)), _qiangdu)，这个_qiangdu就是相当于对比度强度，会让光线更集中。原先的高亮是一大片区域，增加_qiangdu的参数，就可以让光线集中到一个点上。

3.法线纹理（法线贴图）

在一些情况下，我们需要存储一个模型的全部法线信息以便纹理采样，那么我们可以将这些法线信息存储到一张图片中，这张图片就是模型的法线纹理。里面的像素的rgb信息，就是法线的映射。
但是我们知道，法线方向的范围是[-1, 1]，而rgb的范围是[0, 1]，我们需要建立一种映射关系，可以使用公式：pixel=(normal+1)/2 这样就可以将法线映射到rgb上了，反过来，通过rgb，也就可以得到法线。
法线贴图有两种，一种是在模型空间下的法线纹理，一种是在切线空间下的法线纹理。我们先说什么是切线空间，切线空间就是以模型顶点为原点，法线方向就是z轴方向，x是切线方向，y是垂直于法线和切线的，如图1

[图1]
我们再接着说两个空间有什么区别，在模型空间下的法线纹理，他们都是同一个空间，所以法线方向会有各种各样的坐标，比如(0, 0.6, 1)，他映射到法线纹理，rgb变成了(0.5, 0.8, 1)，是浅蓝色。所以这样会导致法线纹理是五颜六色的，如图2

[图2]
我们再看切线空间下的法线纹理：
原点是模型顶点
z轴是模型的原始法线方向
x轴是原始法线的切线方向
y轴是x轴和z轴做叉乘得到的
他在切线空间下的坐标，表示的是这个法线在顶点的原始法线的偏移方向。也就是说他是一个相对位置。越接近z轴，说明这个法线与原始法线越靠近，如果是(0,0,z)，则是完全重合
假如法线在切线空间下的位置是(0.2, 0.1, 0.8)，那么转换成rgb就是(0.6, 0.5, 0.9)，对应颜色是蓝紫色。因为z轴方向是顶点的原始法线方向，而rgb中（0,0,1）是纯蓝色，所以切线空间下的法线纹理始终是偏蓝色，只不过蓝色的深浅不一样，如图3

[图3]
问：我们知道法线纹理的uv坐标对应的就是模型顶点的坐标，但是uv是二维坐标，而顶点是三维坐标，他们是怎么对应上的？
答：可以通过uv展开的方法来将三维坐标映射到二维坐标上，在vert函数中会一起传入顶点对应的uv坐标。
问：模型空间下的法线贴图与切线空间下的法线贴图有什么最大区别？
答：我们知道切线空间是以顶点的原始法线方向建立的，在这个坐标系中的向量，不跟任何模型关联，只是一个相对与原始的位置，所以这一张贴图可以用在任何模型上；而模型空间下的法线贴图，是一个绝对位置，每一个颜色对应的都是这个模型的固定法线，所以只能应用在这个模型上，切换模型则会出现光照错误。

七、数学计算

1.投影
①
shader计算中经常会需要计算投影，投影可以基于点乘
a·b=|a||b|cos(θ) 假如此时a是单位向量，那么就变成了
a·b=|b|cos(θ) 这就是b在a方向上的投影长度，可得b在a上的投影向量就是a(a·b)
注意：只有在a是单位向量的情况下才能算是投影，否则只是投影长度乘了a倍
②
a·b和b·a数值是完全一致的，任意调换位置不会影响长度，但是他们表达的意思其实不一样
a·b表示：a在b方向上的投影×|b|；b·a表示：b在a方向上的投影×|a|
③
如果a和b都不是单位向量怎么办？假如是a在b上的投影，那么可以将b转为单位向量
dot(a,normalize(b))，这样就可以得出a在b方向上的投影长度
简单的技巧：想投影到哪个向量上，就把哪个向量归一化

2. 矩阵计算
矩阵相乘的条件：左矩阵的列数=右矩阵的行数
相乘后的矩阵：行数=左矩阵行数，列数=右矩阵列数
其实也就是说：
列向量计算时，只能放在右边，乘完还是列向量
行向量计算时，只能放在左边，乘完还是行向量

八、易踩坑点

shader中涉及到的方向，基本都是默认单位向量，很多书和文章中都不会明确告知，但是他是默认的，比如法线方向、光照方向、视角方向，因为这些都涉及到公式计算，但是某些手动算出来的方向，是要看情况的，比如a-b，得到的向量得看情况要不要归一化
shader中的reflect(i, n)，这里的i应该传入表面指向光照的方向，而不是直接传光照方向，一般用法都是
//反射方向
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
注意是-worldLightDir，如果哪次计算出来发现光照反了，那就是这里传错了