Writing HLSL Shaders

构造篇

打破次元壁：Vertex Shader

处理顶点着色器的工作就像是把 3D 场景中的物体搬到屏幕（具体来说，clip space，裁剪空间）上来。头脑中应当有一个 Object 的网格，而着手处理的目标是网格的最小单元 —— 顶点。

顶点的信息里包含了顶点位置（局部空间）、法线方向、UV 坐标（是的 UV 坐标是绑定在 3D 物体顶点上的），有的顶点还包含了颜色数据。

顶点着色器是一个正确性工具。操作它以使得物体正确地显示在屏幕上。

Vertex Program 输出要求

顶点着色器至少需要返回齐次坐标下的裁剪空间坐标。
对于和视觉效果有关（需要决策 “长什么样”，包括颜色、光照、法线等）的输出，都要保证 clamp 在 0～1 范围内，以确保在后续流程中视觉效果正确。

艺术设定集：Fragment Shader

片元着色器的主要任务是决定每个像素的最终颜色。这个阶段将专注于每个像素的外观，包括它本身的样式（颜色、纹理、透明度等），以及它如何与光线进行交互。

与顶点着色器不同的是，片元着色器是一个风格化工具。片元着色器的处理使得物体的 “皮肤” 确立。

机制篇

“意义”：Semantic

Semantic（语义）是 HLSL 语言与 pipeline 中各种寄存器的数据直接对接的机制。“These semantics signifiers communicate the “meaning” of these variables to the GPU.”

该特性也是 shader 的撰写与很多通用编程语言不同之处。

比如 C++ 这种通用的语言，CPU 其实根本不需要知道用户在干啥。照做就完事了。但是 GPU 需要知道某些数据的意义，因为它的渲染过程有特定的流程和固定的输入输出规则，面向 GPU 编程是个很特定的程序，GPU 是需要知道这些都是干啥的

shader 的使用其实有点像 C++ 中的引用。只是它的使用是和对应的寄存器所绑定。当它被声明时，是从该寄存器中读取数据，而当绑定的变量 / 函数被修改，寄存器中的内容也会被随之修改。

对于不同阶段的 shader，HLSL 会提供不同的 Semantic。比如对于 vertex shader 提供 POSITION（物体空间的顶点坐标），而其在 pixel shader 中并不支持。

函数：Input & Output

structure

函数的输入输出可以写为 structure 的形式。函数绑定的 Semantic 可以在结构体成员后标注。

// structure 作为函数 input / output
struct VertexData {
    float4 position: POSITION;
    float3 normal: NORMAL;
    float2 uv: TEXCOORD0;
};

struct Interpolators {
    float4 position: SV_POSITION;
    float2 uv: TEXCOORD0;
    float3 normal: TEXCOORD1;
    float3 worldPos: TEXCOORD2;
};

 MyVertexProgram() {
    ;
    i.position = mul(unity_MatrixMVP, v.position);
    i.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.position);
    i.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
    i.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
    ;
}

inout & out & in 关键字

inout 和 out 关键字适用于函数需要返回多个值时。它们不需要被 return，函数执行结束后会被自动输出。

inout 关键字的行为会比较类似于 C++ 中函数参数的行为，即它可以被读取其中保存的初始值，又可以对改值进行改写：

void UpdateValue(inout float value) {
    value += 2.0; // 读取并修改 value 的值
}

而 out 关键字并不读取初始值，而是需要在函数内进行赋值：

void GetColor(out float4 color) {
    color = float4(1, 0, 0, 1); // 将颜色设置为红色
}

float4 main() : SV_Target {
    float4 result;
    GetColor(result); // 调用函数，result 将接收到红色
    return result; // 返回 result 作为输出
}

in 关键字怎么用？

in 关键字表明传入的参数是只读的，类似于 const 的概念。

但是在 HLSL 中，

所有传入的参数默认都是只读的，所以它一般都比较多余，只是为了代码的可读性。

全局：Uniform

Uniform 是一种，在整个渲染过程，或至少一个 draw call 期间，其值对于着色器都是不变的量。Uniform 与常量的概念不同在于，Uniform 在着色器内部，其值不可被修改，但是可以在引擎中进行修改。

组件篇

Properties

Properties 传递给 Unity 材质系统，展示在 Inspector 的材质面板。

（"Properties" 是特指材质 properties）

文档：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-Properties.html

TEXCOORD

理解 TEXCOORD 寄存器

TEXCOORD 实际上是一种通用寄存器。

尽管往往被狭义的理解为用作传递纹理信息，但由于 “纹理” 的本质就是二维信息向复杂三维模型的映射，因此各种信息都可以 “当作纹理”，如光线信息、坐标信息等，从而实现在 vertex shader 与 fragment shader 之间的插值与传递。

多个 TEXCOORD 的编译器优化

寄存器可以保存 4 个 float，每个寄存器对应 4 个分量（xyzw）。因为一个 UV 坐标只需要 x 和 y 两个分量，所以如果同时有 TEXCOORD0 和 TEXCOORD1，编译器可能会优化：将 TEXCOORD0 的 x 和 y 分量存储在一个寄存器的 xy 位，而将 TEXCOORD1 的 x 和 y 分量存储在同一个寄存器的 zw 位。

这种方式有效地利用了寄存器资源，提高了性能。

特性篇

色彩空间修正：Gamma & Linear

路径 Edit - Project Settings - Player - Other Settings - Color Space 可以查看当前使用的色彩空间。这里我们将其设置为线性色彩空间。

如何理解 Gamma 色彩空间和线性色彩空间？

Gamma 色彩空间和线性色彩空间之间的差异源于客观的物理色彩空间（线性颜色空间）和人眼主观感知的色彩空间（Gamma 色彩空间）之间的差别。

人眼的感光特性：非线性感光人眼对光的感知是非线性的，对亮度的变化更加敏感，而对暗部的变化则不那么敏感。具体来说，当光的强度增加时，人眼对亮度的感知并不是按比例增加，而是逐渐减少。
显示设备的响应特性：非线性输出传统的显示设备（如 CRT 显示器）本身的亮度输出也是非线性的，即它们对输入信号的响应接近于伽马曲线。这意味着，如果直接给它们输入线性的颜色数据，显示出来的图像会显得过暗。因此，需要对输入信号进行 Gamma 编码，以补偿显示器的这种特性。
Gamma 矫正：人眼匹配 & 显示器补偿如上所述，Gamma 校正一方面为了匹配人眼这种非线性的感光特性，通过对原本线性的光强度数据进行 Gamma 校正，可以让图像在显示设备上看起来更自然，符合人眼的感知。另一方面，尽管现代显示器（如 LCD 和 OLED 显示器）的响应特性已经改善很多，但为了保持兼容性和一致性，Gamma 校正仍然被广泛应用

此时正在使用的是线性空间，需要进行向 gamma 空间的色彩空间修正。

因为此前在项目中设置的为线性色彩空间，指的是计算过程中使用线性色彩空间进行计算。而 Unity 依然需要输出 Gamma 空间的颜色。

Gamma 空间的色彩储存，为了适应人眼特性（对暗部感知更强），因此用了更多的数据存储暗部色彩，所以数值上会更大（比如 0 ～ 1，原本 0 为全暗，0.5 为中灰，但是如果变大的话，可能 0.73 才是中灰，此时暗部数据区域从 0 - 0.5 拓展到了 0 - 0.73，数值更大了）。

而计算中使用了线性空间，数值就偏小。

所以在计算最后向 gamma 空间转换时，就是会变大的。

转换公式具体来说：

从 Gamma 空间转换到线性空间（数值变小的过程）： $y=x^{\gamma}$
从线性空间转换到 Gamma 空间（数值变大的过程）： $y = x^{\frac{1}{\gamma}}$

其中 x、y 分别为转换前后的空间， $\gamma$ （gamma）是个固定数值，约为 2.2， $\frac1{\gamma}$ 约为 0.45。

Unity 提供了 unity_ColorSpaceDouble 变量，这个变量会自动根据当前的颜色值与颜色空间选择正确的修正因子。于是，将颜色结果乘以该变量（以替代之前简单 × 2），从而确保最终亮度表现正常。

TexturedWithDetail.shader - MyFragmentProgram

// 向 gamma 空间的色彩修正
// color *= tex2D(_MainTex, i.uvDetail) * 2;
color *= tex2D(_MainTex, i.uvDetail) * unity_ColorSpaceDouble;

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Last updated 5 months ago