cg语言学习&&阳春白雪GPU编程入门学习

虽然所知甚少，但康大的《GPU编程与Cg编程之阳春白雪下里巴人》确实带我入了shader的门，在里面我第一次清晰地知道了“语义”的意思，非常感谢。

入门shader，我觉得可以先读3本书：《GPU编程与Cg编程之阳春白雪下里巴人》=》《cg教程》=》《Real-Time Rendering 3rd》（在读，最近忙，搁下了），打下理论基础。

下面是《cg教程》的读书笔记。

1.基本cg函数

　　1）数学函数：abs，acos反余弦，all(x)x的所有分量都不为0则为true，any(x)x有分量不为0则为true，ceil/floor，clamp(x, a,b)，cross(A,B)/dot(A,B)叉乘与点乘，degrees/radians弧度角度互转，exp(x)e的x次方，exp2(x)2的x次方，fmod(x, y) x/y的余数(符号同x)，frac取小数部分，lerp(a, b, f)f=0取a，f=1取b，否则权重混合，log/log2/log10基于e/2/10的对数，pow，round，sign(x)x>0返回1，否则0，saturate(x)把x限制到[0,1]之间，smoothstep(min, max, x)x<=min返回0，x>=max返回1，否则返回一个(0,1)的平滑值，step(a, b)a<=b返回1，否则0，mul矩阵相乘/向量矩阵相乘，sincos，transpose转置，noise噪声函数，lit(NdotL, NdotH, m)计算环境光系数x，漫反射系数y，高光系数z, w=1

　　2）几何函数：distance点和点的欧氏距离，length向量的欧氏长度，normalize归1化，reflect(I, N)反射向量，可以根据pt-eyepos得到入射反向，然后算出反射向量，然后采样环境贴图，混合当前颜色和环境颜色，就可以在物体表面反射环境了，refract(I, N, eta)折射向量，可以根据pt-eyepos得到入射反向，然后算出折射向量，然后采用环境贴图并根据透明度插值物体颜色和环境颜色，然后就可以“透过物体”看到周围景色了

　　3）纹理采样函数：1维tex1D，2维tex2D，3维tex3D和立方贴图采样texCUBE

2.cg程序

　　　　opengl/dx的渲染管线和通常说的gpu渲染管线一样，我猜测其中的关系是：gpu里嵌入了opengl/dx库，来完成其渲染管线，所以其实是一个东西。

　　　　那cg程序呢，cg程序一开始是文本形式，应用程序通过cg编译器把它翻译成中间形式，然后通过cg核心运行库把中间形式搞成最终形式，这个最终形式被运行库送入gpu中执行。cg也是这样嵌入应用程序的：应用程序使用cg编译器编译cg程序，然后调用cg核心运行库和cgGL/cgDXD库把程序送给驱动程序即可，不用和gpu直接打交道。

　　　　下面是使用opengl接口的cg程序文本到gpu执行过程：

　　　　

　　cg程序是动态编译的，即应用程序可以动态运行上图 流程，更新在gpu里的cg最终形式，gpu会对每个输入的顶点执行上面的最终形式程序，即并行计算，片段类似。

　　cg程序编译需要cg程序外，还需指定profile（顶点程序指定一个，片段程序指定一个），一个Cg profile定义了一个“被特定图形硬件或API所支持的Cg语言子集”，profile决定了你的cg程序能使用哪些cg功能，如果使用了不支持的功能就编译不通过，也决定了编译后的程序能在哪些硬件上运行，硬件不支持则不能运行。

　　cg编译错误包括传统的错误和依赖profile的错误，前者就是语法错误，后者是cg程序使用了profile不支持的功能，后者或者可以考虑使用更高级的profile解决。

3.顶点着色器

Attributes：由 vertext array 提供的顶点数据，如空间位置，法向量，纹理坐标以及顶点颜色，它是针对每一个顶点的数据。属性只在顶点着色器中才有，片元着色器中没有属性。属性可以理解为针对每一个顶点的输入数据。OpenGL ES 2.0 规定了所有实现应该支持的最大属性个数不能少于 8 个。

Uniforms：uniforms保存由应用程序传递给着色器的只读常量数据。在顶点着色器中，这些数据通常是变换矩阵，光照参数，颜色等。由 uniform 修饰符修饰的变量属于全局变量，该全局性对顶点着色器与片元着色器均可见，也就是说，这两个着色器如果被连接到同一个应用程序中，它们共享同一份 uniform 全局变量集。因此如果在这两个着色器中都声明了同名的 uniform 变量，要保证这对同名变量完全相同：同名+同类型，因为它们实际是同一个变量。此外，uniform 变量存储在常量存储区，因此限制了 uniform 变量的个数，OpenGL ES 2.0 也规定了所有实现应该支持的最大顶点着色器 uniform 变量个数不能少于 128 个，最大的片元着色器 uniform 变量个数不能少于 16 个。

uniforms变量只是初始值和其他变量不同，它是允许被改变的（除非被const修饰），和其他变量一样。在unity的shader中，除了上述数据算uniforms外，开放出来的属性应该也算uniforms，比如经常有的纹理贴图等

Samplers：一种特殊的 uniform，用于呈现纹理。sampler 可用于顶点着色器和片元着色器。

顶点着色器的输出：

Varying：varying 变量用于存储顶点着色器的输出数据，当然也存储片元着色器的输入数据，varying 变量最终会在光栅化处理阶段被线性插值。顶点着色器如果声明了 varying 变量，它必须被传递到片元着色器中才能进一步传递到下一阶段，因此顶点着色器中声明的 varying 变量都应在片元着色器中重新声明同名同类型的 varying 变量。OpenGL ES 2.0 也规定了所有实现应该支持的最大 varying 变量个数不能少于 8 个。

在顶点着色器阶段至少应输出位置信息-即内建变量：gl_Position，其它两个可选的变量为：gl_FrontFacing 和 gl_PointSize。

4.片段着色器，类似顶点着色器。

5.顶点变换

投影变换是把眼空间变换到裁剪空间=》平截体四个角对应正方体四个角，各个点都右乘此矩阵，不在正方体内的剔除（-w<x<w,yz同），此时正方体不是单位正方体；

接着，透视除法，映射到单位正方体中，然后根据各个视口尺寸（相机尺寸）映射到视口对应位置【最后这个变换了解甚少，存疑】，这里还有个问题，裁剪是在裁剪空间搞的，还是在单位正方体中搞的？其实这个问题的答案未必重要，因为可能只是不同做法而已。我在一个前辈实现的光栅器代码中看到，他是在-w,w,w中剪切的，切完后进行透视除法，然后窗口变换，完成顶点变换。

6.应用程序传入的数据，也即shader能读到的数据（如果模型提供，比如法线），unityshader中应该有对应的全局变量或顶点分别数据

7.粒子系统，所谓把顶点视作粒子，然后控制粒子的位置、大小和颜色，可是正常而已，顶点是木有大小的，书中这点木有给出具体做法；粒子图是什么？是怎么使用的？疑惑。

8.顶点混合，和蒙皮一起理解，顶点就是皮肤网格上的点，矩阵就是骨头集，我们有基本姿势：基本姿势的矩阵集(全是单位矩阵），顶点集，矩阵集中各个矩阵对各个顶点的影响权重（一般不超过4个矩阵影响一个顶点）和 其他姿势信息：对应基本姿势矩阵集的新矩阵集，这个矩阵集很可能大部分和基本姿势对应的一样---单位矩阵。这样我们就能够表达多种动作了，矩阵集里的矩阵物理意义是变换：从基础姿势的位置变换到其他姿势的位置的变换。书中的那一段代码值得研究，有2个点需要思考：

　　

为何model是3x4，即为何不是正常变换的4x4?估计：model在这里是用来计算顶点变换后的位置的，只需要xyz，而model的第4行只影响pos的第4个变量，所以可以略去，其实说白了，本来变换搞成4x4也是为了方便矩阵，这里抛弃无用信息而已。

为何只取model得一个角3x3去变换法线向量？首先因为是仿射变换所以用model而不是其逆的转置，再者，4x4的矩阵变换3维向量是可以直接用其3x3部分左乘向量的，因为：

| a1, a2, a3, a4|

| b1, b2, b3, b4|

| c1, c2, c3, c4|

| d1, d2,d3, d4|

向量normal扩展成4维后为(normal, 0)，结果为4x1向量，此向量的前3维只受左上角3x3*normal影响，而第4维只是辅助计算，直接干掉，证毕。此结论可用于变换法线向量或其他向量。记住不要混淆了为什么选model和为什么选model的左上角的3x3！前者是选变换矩阵，后者是删繁就简直取本质。

环境映射

9.立方贴图纹理

　　新的GPU支持立方贴图纹理（texCUBE可采样之），一个立方贴图是由6幅纹理组成的立方体，对其采样就像从中心发射的光线，穿透立方体的点即为采样所得，相当于在中心向外看所看到的颜色，一般用于环境映射。

　　生成立方贴图：在场景中心放一个摄像机，朝左、右、上、下、前、后拍一张照片即可，摄像机在每个朝向的放置都是左右成90度，上下成90度，如下图：

　　

　　这样，6幅图紧凑在一起就能完全展示四周环境数据了。

　　R = reflect(N, I),I是指向顶点的入射光线，返回值是从顶点发出的反射光线，N需要归一化，但I不需要，并且返回值R去查询纹理时也不需要归一化，因为I的长度不影响reflect返回R的方向，而R的长度不影响采样结果，并且，R在片段程序中采样之前先被光栅器插值，不归一化的R更能准确插值（有点像球面插值和椭球体面插值，为什么后者更准确就没研究了）。

　　环境映射只依赖方向而不依赖位置，所以方向相同位置不同得到的采样结果是一样的，要想展现其斑驳之美，最好用于曲面。

　　

　　环境贴图通常需要在用世界坐标系的向量来采样，所以我们必须把N和I转到世界坐标系后reflect，【当然也可以先在模型坐标系reflect，再把reflect的结果转到世界坐标系，未测试】，向量变换的方法参考上面第8点。

　　

　　为什么用3x3去左乘，看上面第8点的证明就好。另外，这里我们假设position.w = 1（这也是正常情况下的取值），如果其w分量被特殊处理过导致不为1，我们需要先把其所有分量都除以w，来使得position.w=1，方便后面只进行3维的计算（默认w=1）

10.控制贴图

　　用纹理去控制可变参数，这种想法被此书所推崇，不知是因其新颖还是确实是好，没研究过shader采样纹理和多纹理采样的性能。不过这种做法对美术而言确实好一些，比如环境贴图的例子，加一个控制纹理，对每个片段都给一个“反射系数”，然后就可以控制各点反射的效果了，这些系数就存在控制贴图中。其实法线贴图也算一种控制贴图：控制法向量。

11.折射，透过物体看环境：从视点到顶点发出光线，经物体折射后（只算进入物体的折射），采样环境贴图，done。

　　refract(I, N, etaRatio);类似reflect，N需要归一化I不需要。

12.菲涅尔效果：进入眼睛的有反射光和折射光，书中给出了计算2者权重的近似公式：

　　

　　最终顶点的色值是：

　　

　　基本只是提供了一个更加准确的混合参数，比控制贴图、全局变量等更方便，但如果想应用开来，比如看水里的鱼等真实折射呢？书中木有提，难道要用光线跟踪，看折射的光线被什么反射了？疑惑。

　带颜色色散的菲涅尔效果：在顶点程序中，计算反射向量，计算菲涅尔系数，分别计算RGB3个分量对应的折射向量（因为折射系数不同），在片段程序中先得到反射的环境色值，然后得到RGB3个折射向量的色值，把这3个色值分别取RGB分量构成最终的折射色值，然后用菲涅尔系数混合反射色值和折射色值，done.

13.凹凸贴图。

　　已成此文：深入理解法线贴图

14.性能方面，散入此文：写shader的一些小细节

15.附录

　　技巧（Technique），“每个技巧描述一种实现效果，一个cg程序中可以有多个技巧，每个技巧针对一种级别的图形处理器”，所以这里的技巧类同于Unity shader的subshader，一般地unity shader都是一个或多个subshader+一个fallback，2+个技巧，以适应不同硬件。执行shader时，从第一个subshader开始，硬件不符合就执行下一个subshader，直到符合。

　　过程（Pass），“一个技巧可以包括一个或多个过程，一个过程代表一个单独的渲染过程，其包括一组渲染状态（一些额外设置）和一组着色器，例如过程0可以只设置深度值，以便后面过程使用等”，这里的过程就是unity shader里的pass了，执行subshader时，有时候只用其中一个pass渲染，有时按顺序逐个应用各个pass渲染。默认好像是后者，存疑。