Unity ShaderLab基础（二）Cg语言

发表于   |   分类于   |     |   阅读次数

学习一门新的语言，有几个基本需要掌握的：数据类型（基本数据类型和结构类型），基本语法（表达式和控制语句等），编译和运行方式，这一点在CPU编程语言和GPU编程语言中是相似的，Cg作为一门GPU图形学语言也是如此。

Cg的数据类型：

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。

2.其他内置数据类型：

  • 向量

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);
  • 矩阵

Cg还提供矩阵数据类型，不过最大的维数不能超过4X4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};
  • 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

注：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，而数组则是一种数据结构。

  • 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

Cg的语法：

Cg的关系操作符、逻辑操作符、位移操作符都与C语言有相似之处，需要特别注意的是Swizzle操作符，例如：

float4(a, b, c, d).xyz     //等价于 float3(a, b, c)
float4(a, b, c, d).xyy     //等价于 float3(a, b, b)
float4(a, b, c, d).wzyx //等价于 float4(d, c, b, a)
float4(a, b, c, d).w     //等价于 float d

Cg的编译：

1.编译方式：

  • 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，就像脚本语言（Lua、JavaScrpit等），源码嵌套到调用的宿主语言程序中，运行时进行编译。

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.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。

  • 下载Cg Toolkit；
  • 安装之后，在安装目录的Cg\bin中就有cgc.exe；
  • 打开命令行窗口，输入 cgc -h ，假如不报错则说明安装成功。

3.Cg指令：

编译指令

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）,Cg源码文件需以.cg为后缀名；

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真查找。

关于Cg的更详细的介绍可以参考这篇博客，利用OpenGL、C++和Cg进行Cg的测试：【GPU编程】开始Cg之旅，编译自己的第一个Cg程序

4.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
......