HLSL / Cg 编程基础：数据类型、语法制导、顶点与片元
教材对照 本课对应The Unity Shaders Bible 第 3.2.6 – 3.3.4 节（第 93–112 页）。涵盖 CGPROGRAM / HLSLPROGRAM、数据类型、Pragmas、Include 文件、顶点输入/输出结构体、顶点与片元着色器阶段、连接变量。
5.1 CGPROGRAM / ENDCG 与 HLSLPROGRAM 的演变
在 .shader 文件中，实际的可编程代码写在 Pass 内的 CGPROGRAM ... ENDCG 或 HLSLPROGRAM ... ENDHLSL 块中。这两者之间的区别反映了 Unity 着色器系统的历史演进。
ShaderLab 声明
→
CGPROGRAM
Cg / HLSL 代码
→
ENDCG
| 特性 | CGPROGRAM / ENDCG | HLSLPROGRAM / ENDHLSL |
|---|---|---|
| 底层语言 | Cg（NVIDIA，已弃用）+ HLSL 混合 | 纯 HLSL（Microsoft） |
| Unity 默认模板 | 是（Built-in RP） | 是（URP / HDRP） |
| Built-in RP 支持 | 是 | 是 |
| URP / HDRP 支持 | 有限兼容 | 原生支持 |
| fixed 类型 | 支持 | 不支持 |
| .cginc 包含 | 是 | 需改用 .hlsl 包含 |
| 推荐度 | 仅用于维护旧项目 | 新项目首选 |
实践建议 对于新项目，推荐使用 HLSLPROGRAM。即使你正在使用 Built-in RP，也可以手动将 CGPROGRAM 替换为 HLSLPROGRAM（以及 ENDCG → ENDHLSL），并修改对应的 include 路径。这是最"未来兼容"的做法。
5.2 Cg / HLSL 数据类型
5.2.1 浮点精度类型
着色器编程区别于普通 C/C++ 的一个关键点在于提供了多种精度的浮点类型，允许开发者根据需求选择精度与性能的平衡。
32
float
高精度
世界空间位置、UV 坐标、三角函数、指数运算
16
half
中等精度
方向向量、物体空间位置、HDR 颜色
11
fixed
低精度（仅 Cg）
简单颜色存储、低强度计算
| 类型 | 位数 | Cg | HLSL | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|
float | 32 | 是 | 是 | 世界空间位置 float4 vertex : POSITION; |
half | 16 | 是 | 是 | 方向向量、UV 坐标 |
fixed | 11 | 是 | 否 | 简单颜色（仅 Cg 中可用） |
int | 32 | 是 | 是 | 循环计数器、索引 |
bool | — | 是 | 是 | 条件判断 |
性能原则 虽然全程使用
float不会导致编译错误，但 GPU 处理高精度数据需要更多时间和功耗。最佳实践是：用最小的精度完成所需任务 。如果只是存储颜色值，fixed4（Cg）或half4（HLSL）足够；只有世界空间坐标才需要用float4。
5.2.2 向量类型
5.2.3 矩阵类型
5.2.4 Sampler 类型
Sampler 类型用于在着色器中对纹理进行采样。在 Cg/HLSL 中有两种写法：
通用概念 Sampler（采样器）是所有图形 API 的标准概念。它定义了纹理如何被读取：寻址模式（wrap/clamp/mirror）、过滤方式（point/linear/anisotropic）等。在 DirectX 12 中对应
D3D12_SAMPLER_DESC，在 Vulkan 中对应VkSampler。
5.3 Pragmas（编译指令）
Pragma 是 Cg/HLSL 中的预处理器指令，告诉编译器如何处理代码。
5.3.1 核心 pragma
| 指令 | 功能 |
|---|---|
#pragma vertex vert | 将 vert 函数标记为顶点着色器阶段 |
#pragma fragment frag | 将 frag 函数标记为片元着色器阶段 |
#pragma multi_compile_fog | 启用 Unity 雾效功能（生成雾效变体） |
#pragma multi_compile | 生成多个着色器变体（全部包含在构建中） |
#pragma shader_feature | 生成着色器变体（仅包含已使用的） |
重要 如果没有
#pragma vertex vert，GPU 无法识别vert()函数是顶点着色器阶段，程序将编译失败。这两个 pragma 是 .shader 文件中必须存在 的指令。
5.3.2 multi_compile vs shader_feature
| 特性 | multi_compile | shader_feature |
|---|---|---|
| 构建时包含 | 所有变体 | 仅已使用的变体 |
| 运行时动态切换 | 支持 | 不支持 |
| 构建体积 | 较大 | 较小 |
| 典型用途 | KeywordEnum（运行时切换） | Toggle（Inspector 预设） |
5.4 Include 文件系统
Include 指令允许将外部文件中定义的函数和变量引入当前着色器。
5.4.1 UnityCG.cginc 中的常用函数
| 函数 / 宏 | 功能 |
|---|---|
UnityObjectToClipPos(v.vertex) | 将顶点从物体空间转换到裁剪空间 |
TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex) | 应用纹理的 Tiling & Offset |
UNITY_FOG_COORDS(idx) | 在 v2f 中声明雾效插值坐标 |
UNITY_TRANSFER_FOG(o, o.vertex) | 在顶点着色器中计算雾效因子 |
UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col) | 在片元着色器中应用雾效 |
UNITY_PI | π 常量（3.14159265） |
文件位置 内置 .cginc 文件位于 Unity 安装目录：
Windows:
{Unity 安装路径}/Data/CGIncludes/UnityCG.cgincMac:/Applications/Unity/Unity.app/Contents/CGIncludes/UnityCG.cginc深入阅读这些文件内容，是理解 Unity 着色器底层机制的绝佳方式。
5.5 顶点输入（Vertex Input）与顶点输出（Vertex Output）
在着色器中，**结构体（struct）**用于定义顶点着色器的输入和输出。Unity 默认提供了两个结构体模板：appdata（输入）和 v2f（输出）。
5.5.1 appdata —— 顶点输入
5.5.2 v2f —— 顶点输出（片元输入）
5.5.3 语义（Semantics）详解
语义（Semantics）是着色器编程中的核心概念。它是一个标签，告诉 GPU 某个变量对应的是物体的哪个属性。
| 语义 | 维度 | 含义 | 输入/输出 |
|---|---|---|---|
POSITION[n] | float4 | 顶点位置（物体空间） | 输入 |
SV_POSITION | float4 | 顶点位置（裁剪空间，系统值） | 输出 |
NORMAL[n] | float3/4 | 法线方向 | 输入 |
TANGENT[n] | float4 | 切线方向 | 输入 |
TEXCOORD[n] | float2/3/4 | 纹理坐标或任意插值数据 | 输入/输出 |
COLOR[n] | float4 | 顶点颜色 | 输入/输出 |
SV_Target | float4/half4/fixed4 | 片元着色器输出（渲染目标） | 输出（片元） |
SV_IsFrontFace | bool | 当前像素是否在正面 | 输入（片元） |
通用概念 语义是 HLSL 的固有特性，也是 Direct3D API 的一部分。在 GLSL 中，语义通过
layout(location = n)实现。虽然语法不同，底层原理完全一致：通过预定义标识符在 GPU 的不同阶段间传递特定数据。
5.6 顶点着色器阶段与片元着色器阶段的对应关系
这两个阶段构成了 Unlit Shader 的核心处理流程。理解它们之间的数据流对应关系是掌握着色器编程的关键。
appdata
→
vert(appdata v)
→
v2f
→
frag(v2f i)
→
SV_Target
数据流关键概念
v.vertex（输入）→UnityObjectToClipPos→o.vertex（输出）：位置变换。v.uv（输入）→TRANSFORM_TEX→o.uv（输出）：UV 变换。- 顶点着色器的输出 v2f o 经过 GPU 光栅化插值后，作为 v2f i 进入片元着色器。
- 输入和输出的对应变量维度必须一致（如都是 float4）。
5.7 变量与连接向量（Connection Vectors）
回顾第 3 课中提到的”连接变量”概念：ShaderLab 属性与 Cg/HLSL 全局变量通过同名匹配建立连接。这里我们深入看一个完整的例子：
注意事项
- 连接变量通常声明为全局变量（在函数之外）。
uniform关键字可以省略。- 纹理的连接变量有两个：
sampler2D _MainTex;（纹理数据 + 采样状态）和float4 _MainTex_ST;（Tiling xy + Offset zw）。_ST后缀是 Unity 的约定。- 如果属性类型是
Color，连接变量的类型是float4（或half4/fixed4）。
5.8 完整的 Unlit Shader 解剖
十一步流程 从顶到低，一个 Unity <.shader> 文件按以下顺序组织：
(1) Shader 声明 → (2) Properties → (3) SubShader → (4) Tags + LOD → (5) Pass → (6) Pragmas → (7) Include → (8) 连接变量 → (9) 输入/输出结构体 → (10) 顶点着色器 → (11) 片元着色器 → Fallback 结尾。 理解这个骨架后，你已经掌握了 Unity 着色器文件的基本结构。
5.9 跨引擎对照
| 概念 | Unity (.shader) | Unreal (.usf) | Godot (.gdshader) |
|---|---|---|---|
| 顶点着色器入口 | #pragma vertex vert | void MainVS() | void vertex() |
| 片元着色器入口 | #pragma fragment frag | void MainPS() | void fragment() |
| 数据精度控制 | float / half / fixed | float / half / fixed | highp / mediump / lowp |
| 顶点位置语义 | : POSITION | ATTRIBUTE() | VERTEX |
| UV 坐标语义 | : TEXCOORD0 | TEXCOORD0 | UV |
| 输出颜色语义 | : SV_Target | SV_Target | COLOR |
| Include / 模块化 | #include "UnityCG.cginc" | #include "/Engine/.../Common.ush" | 内置函数 + 自定义 shader 文件 |
核心洞察 尽管语法不同，所有着色器系统共享相同的基础架构：
- 一个处理顶点变换的阶段（Vertex Shader）
- 一个处理像素颜色的阶段（Fragment / Pixel Shader）
- 通过语义/属性实现从 CPU/网格到 GPU 的数据传递
- 通过精度控制优化性能 一旦你在 Unity 中理解了这些概念，迁移到其他引擎只是语法适应的问题。
练习与回顾
Note
思考题
float4、half4、fixed4三者之间有什么区别？为什么 HLSL 不支持fixed？- 如果你在 CGPROGRAM 块中编写代码，但希望它在 URP 中也能编译，需要修改哪些地方？
- 假设你需要在 v2f 结构体中传递一个额外的法线向量到片元着色器。应该如何声明和赋值？
SV_POSITION和POSITION有什么不同？为什么顶点输入和输出要用不同的语义？- 在片元着色器中，
i.uv的值和v.uv的值是一回事吗？为什么？
Note
实践建议
- 在 Unity 中创建一个 Unlit Shader，尝试将所有
fixed替换为half，验证 HLSL 兼容性。- 在
appdata中增加一个float3 normal : NORMAL，在 v2f 中也加上对应字段，在 vert 中用UnityObjectToWorldNormal(v.normal)传递它，在 frag 中输出normal.rgb作为颜色（观察法线可视化效果）。- 打开 Unity 安装目录下的
UnityCG.cginc，找到UnityObjectToClipPos和TRANSFORM_TEX的实现，理解其数学原理。
教材对照 — 已覆盖内容 第 3.2.6 节：CGPROGRAM / HLSLPROGRAM（第 93–95 页）
第 3.2.7 节：数据类型（第 95–98 页） 第 3.2.8 – 3.2.9 节：Pragmas 与 Include（第 98–101 页） 第 3.3.0 – 3.3.1 节：顶点输入/输出与连接变量（第 101–106 页） 第 3.3.2 – 3.3.3 节：顶点着色器与片元着色器阶段（第 106–110 页）