Effect 语法

如果希望在引擎中实现自定义的着色效果, 需要书写自定义 Effect.
Cocos Effect 是一种基于 YAML 和 GLSL 的单源码嵌入式领域特定语言 (single-source embedded domain-specific language)，
YAML 部分声明流程控制清单, GLSL 部分声明实际的 shader 片段，这两部分内容上相互补充, 共同构成了一个完整的渲染流程描述。
我们推荐使用 VSCode，搜索安装 Cocos Effect 插件，来方便地编辑任何 effect 文件。

注意：这篇文档的目标受众是项目组中的 TA 或图形向的程序，如果你是有具体定制 shader 需求的美术，请联系项目 TA 或程序，把这篇文档丢给他~！

语法框架

以 builtin-unlit.effect 为例, 这个 Effect 文件的内容大致是这样:

关于 effect 名称

在运行时可以通过 effect name 获取或使用 effect 资源：

const effect = cc.EffectAsset.get('builtin-unlit'); // this is the EffectAsset resource instance
const mat = new cc.Material();
mat.initialize({ effectName: 'builtin-standard' }); // now `mat` is a valid standard material

而 effect name 是基于 effect 文件名和所在路径两个信息自动生成的，路径部分固定为基于 assets/effects 目录的相对路径，文件名不包括扩展名。
因为编辑器内置 effect 资源全部位于 Internal DB 的 assets/effects 目录下，因而引用时没有路径部分。
在材质面板的 effect 下拉列表中可以看到所有当前可用的 effect name。

关于 YAML

YAML 是一门面向数据序列化的，对人类书写十分友好的语言，但它引入了一些独特的语法来表示不同类型的数据，
对于不熟悉这门语言的开发者可能会有一点门槛，我们在这里快速总结了一下最常用的一些语法和语言特性，有需要可以参考。

Pass 中可配置的参数

每个 Pass 只有两个必填参数：vert 和 frag 声明了当前 pass 使用的 shader, 格式为 片段名:入口函数名
这个名字可以是本文件中声明的 shader 片段名, 也可以是引擎提供的标准头文件。片段中不应出现 main 函数入口, 在 effect 编译期会插入 wrapper，将指定入口函数的返回值赋值给当前 shader 的输出（gl_Position 或最终的输出颜色）。
所有其他其他可选参数及默认值见完整列表。

Shader 片段

Shader 片段在语法上基于 GLSL 300 ES，在资源加载时有相应的预处理编译流程。

这一节会介绍所有的 “领域特定” 扩展语法，更多实际使用示例，可参考编辑器内提供的 builtin effect。

在标准 GLSL 语法上，我们引入了一些非常自然的 C 风格语法扩展：

Include 机制

类似 C/C++ 的头文件 include 机制, 你可以在任意 shader 代码（CCProgram 块或独立的头文件）中这样引入其他代码片段：

#include <cc-global>
#include "../headers/my-shading-algorithm.chunk"

预处理宏定义

目前 Effect 系统的设计倾向于在游戏项目运行时可以方便地利用 shader 中的各类预处理宏, 而减少 runtime branching。
编辑器会在加载资源时收集所有在 shader 中出现的 defines, 然后引擎在运行时动态地将需要的声明加入 shader 内容。
所以要使用这些预处理宏, 只需要如上面的截图例子中一样, 在 shader 中直接进行逻辑判断即可。
所有的 define 都会被序列化到 inspector 上, 供使用者调整。
几点相关的注意事项：

为尽可能多地在编译期做类型检查，目前的策略是直接将所有自定义宏置为 true （或根据 Macro Tags 指定的默认值）再交给后端尝试检查；所以如果设计上某些宏之间存在互斥关系（不可能同时为 true）的话，应统一使用一个通过 tag 声明的宏来处理；
运行时会显式定义所有 shader 中出现的自定义宏（默认定义为 0），所以除 GLSL 语言内置宏外（GL_ 开头的 extension 等），请不要使用 #ifdef 或 #if defined 这样的形式做判断，执行结果会始终为 true；
运行时会对宏定义组合计算 hash，目前的计算机制在宏定义组合数 2^32 以内（一个 int 的范围）相对高效，对应到 shader 中相当于 32 个 boolean 开关，请尽量不要超出此限制，定义过多运行时可调整的宏定义，影响运行效率；

Macro Tags

虽然我们会尝试自动识别所有出现在预处理分支逻辑中 (#if) 的宏定义，但有时实际使用方式要比简单的布尔开关更复杂一些，如：

// macro defined within certain numerical 'range'
#if LAYERS == 4
  // ...
#elif LAYERS == 5
  // ...
#endif
// multiple discrete 'options'
float metallic = texture(pbrMap, uv).METALLIC_SOURCE;

针对这类有固定取值范围，或固定选项的宏定义，需要选择一个合适的 tag 显式声明：

Tag	Tag 参数	默认值	说明
range	一个长度为 2 的数组，首元素为最小值，末元素为最大值	[0, 3]	针对连续数字类型的宏定义，显式指定它的取值范围，范围应当控制到最小，有利于运行时的 shader 管理
options	一个任意长度的数组，每个元素都是一个可能的取值	如未显式声明则不会定义任何宏	针对有清晰选项的宏定义，显式指定它的可用选项

比如下面这样的声明：

#pragma define LAYERS range([4, 5])
#pragma define METALLIC_SOURCE options([r, g, b, a])

一个是名为 LAYERS 的宏定义，它在运行时可能的取值范围为 [4, 5]；
另一个是名为 METALLIC_SOURCE 的宏定义，它在运行时可能的取值为 'r', 'g', 'b', 'a' 四种。

注意：语法中每个 tag 只有一个参数，这个参数可以直接用 YAML 语法去指定。

Functional Macros

由于 WebGL1 不原生支持，我们将函数式宏定义提供为 effect 编译期的功能，输出的 shader 中就已经将此类宏定义展开。
这非常适用于 inline 一些简单的工具函数，或需要大量重复定义的相似代码。事实上，内置头文件中不少工具函数都是函数式宏定义：

#define CCDecode(position) \
  position = vec4(a_position, 1.0)
#define CCVertInput(position) \
  CCDecode(position);         \
  #if CC_USE_SKINNING         \
    CCSkin(position);         \
  #endif                      \
  #pragma // empty pragma trick to get rid of trailing semicolons at effect compile time

但与 C/C++ 的宏定义系统相同，这套机制不会对宏定义的卫生情况做任何处理，
由不卫生的宏展开而带来的问题需要开发者自行处理，因此我们推荐，并也确保所有内置头文件中，谨慎定义含有局部变量的预处理宏：

// please do be careful with unhygienic macros like this
#define INCI(i) do { int a=0; ++i; } while(0)
// when invoking
int a = 4, b = 8;
INCI(b); // correct, b would be 9 after this
INCI(a); // wrong! a would still be 4

Vertex Input¹

为对接骨骼动画与数据解压流程，我们提供了 CCVertInput 工具函数，对所有 3D 模型使用的 shader，可直接在 vs 开始时类似这样写：

#include <input>
vec4 vert () {
  vec3 position;
  CCVertInput(position);
  // ... do your thing with `position` (models space, after skinning)
}

如果还需需要法线等信息，可直接使用 standard 版本：

#include <input-standard>
vec4 vert () {
  StandardVertInput In;
  CCVertInput(In);
  // ... now use `In.position`, etc.
}

这会返回模型空间的顶点位置（position）、法线（normal）和切空间（tangent）信息，并对骨骼动画模型做完蒙皮计算。
注意引用头文件后，不要在 shader 内重复声明这些 attributes（a_position 等）。
对于其他顶点数据（如 uv 等）还是正常声明 attributes 直接使用。

另外如果需要对接引擎动态合批和 instancing 流程，需要包含 cc-local-batch 头文件，通过 CCGetWorldMatrix 工具函数获取世界矩阵：

// unlit version (when normal is not needed)
mat4 matWorld;
CCGetWorldMatrix(matWorld);
// standard version
mat4 matWorld, matWorldIT;
CCGetWorldMatrixFull(matWorld, matWorldIT);

关于更多 shader 内置 uniform，可以参考完整列表。

Fragment Ouput¹

为对接引擎渲染管线，我们提供了 CCFragOutput 工具函数，对所有无光照 shader，可直接在 fs 返回时类似这样写：

#include <output>
vec4 frag () {
  vec4 o = vec4(0.0);
  // ... do the computation
  return CCFragOutput(o);
}

这样中间的颜色计算就不必区分当前渲染管线是否为 HDR 流程等。
如需要包含光照计算，可结合标准着色函数 CCStandardShading 一起构成 surface shader 流程：

#include <shading-standard>
#include <output-standard>
void surf (out StandardSurface s) {
  // fill in your data here
}
vec4 frag () {
  StandardSurface s; surf(s);
  vec4 color = CCStandardShading(s);
  return CCFragOutput(color);
}

在此框架下可方便地实现自己的 surface 输入，或其他 shading 算法；

注意：CCFragOutput 函数一般还是不需要自己实现，它只起与渲染管线对接的作用，且对于这种含有光照计算的输出，因计算结果已经在 HDR 范围，应包含 output-standard 而非 output 头文件。

自定义 Instanced 属性

通过 instancing 动态合批的功能十分灵活，在默认的流程上，用户可以加入更多 instanced 属性，这里介绍如何在 shader 中引入新的属性：

所有相关处理代码都需要依赖统一的宏定义 USE_INSTANCING：

#if USE_INSTANCING // when instancing is enabled
  #pragma format(RGBA8) // normalized unsigned byte
  in vec4 a_instanced_color;
#endif

几点注意：

这里可以使用编译器提示 format 指定此属性的具体数据格式，参数为引擎 GFXFormat 的任意枚举名²，如未声明则默认为 32 位 float 类型；
所有 instanced 属性都是 VS 的输入 attribute，所以如果需要在 FS 中使用，需要在 VS 中自行传递；
记得确保代码在所有分支都能正常执行，无论 USE_INSTANCING 启用与否；

在运行时所有属性都会默认初始化为 0，脚本中设置接口为：

const comp = node.getComponent(ModelComponent);
comp.setInstancedAttribute('a_instanced_color', [100, 150, 200, 255]); // should match the specified format

注意：在每次重建 PSO 时（一般对应更换新材质时）所有属性值都会重置，需要重新设置。

WebGL 1 fallback 支持

由于 WebGL 1 仅支持 GLSL 100 标准语法, 在 effect 编译期会提供 300 es 转 100 的 fallback shader, 用户基本不需关心这层变化。
但注意目前的自动 fallback 只支持一些基本的格式转换，如果使用了 300 es 独有的 shader 函数（texelFetch、textureGrad 等）或 extension，
我们推荐根据 __VERSION__ 宏定义判断 shader 版本，自行实现更稳定精确的 fallback:

#if __VERSION__ < 300
#ifdef GL_EXT_shader_texture_lod
  vec4 color = textureCubeLodEXT(envmap, R, roughness);
#else
  vec4 color = textureCube(envmap, R);
#endif
#else
  vec4 color = textureLod(envmap, R, roughness);
#endif

在 effect 编译期我们会尝试解析所有已经为常量的宏控制流，将实际内容做剔除或拆分到不同版本的 shader 输出中。

关于 UBO 内存布局

首先结论是，我们规定在 shader 中所有非 sampler 的 uniform 都应以 block 形式声明，且对于所有 UBO：

不应出现 vec3 成员；
对数组类型成员，每个元素 size 不能小于 vec4；
不允许任何会引入 padding 的成员声明顺序。

这些规则都会在 effect 编译期做对应检查，以导入错误（implicit padding 相关）的形式提醒修改。

这可能听起来有些过分严格，但背后有非常务实的考量：
首先，UBO 是渲染管线内要做到高效数据复用的唯一基本单位，离散声明已不是一个选项；
其次，WebGL2 的 UBO 只支持 std140 布局，它遵守一套比较原始的 padding 规则：³

所有 vec3 成员都会补齐至 vec4：

uniform ControversialType {
vec3 v3_1; // offset 0, length 16 [IMPLICIT PADDING!]
}; // total of 16 bytes

任意长度小于 vec4 类型的数组和结构体，都会逐元素补齐至 vec4：

uniform ProblematicArrays {
float f4_1[4]; // offset 0, stride 16, length 64 [IMPLICIT PADDING!]
}; // total of 64 bytes

所有成员在 UBO 内的实际偏移都会按自身所占字节数对齐⁴：

uniform IncorrectUBOOrder {
float f1_1; // offset 0, length 4 (aligned to 4 bytes)
vec2 v2; // offset 8, length 8 (aligned to 8 bytes) [IMPLICIT PADDING!]
float f1_2; // offset 16, length 4 (aligned to 4 bytes)
}; // total of 32 bytes*
uniform CorrectUBOOrder {
float f1_1; // offset 0, length 4 (aligned to 4 bytes)
float f1_2; // offset 4, length 4 (aligned to 4 bytes)
vec2 v2; // offset 8, length 8 (aligned to 8 bytes)
}; // total of 16 bytes

这意味着大量的空间浪费，且某些设备的驱动实现也并不完全符合此标准⁵，因此我们目前选择限制这部分功能的使用，以帮助排除一部分非常隐晦的运行时问题。

注意：再次提醒，uniform 的类型与 inspector 的显示和运行时参数赋值时的程序接口可以不直接对应，通过 property target 机制，可以独立编辑任意 uniform 具体的分量。

[1] 不包含粒子、sprite、后效等不基于 mesh 执行渲染的 shader ↩
[2] 注意 WebGL 1.0 平台下不支持整型 attributes，如项目需要发布到此平台，应使用默认浮点类型 ↩
[3] OpenGL 4.5, Section 7.6.2.2, page 137 ↩
[4] 注意在示例代码中，UBO IncorrectUBOOrder 的总长度为 32 字节，实际上这个数据到今天也依然是平台相关的，看起来是由于 GLSL 标准的疏忽，更多相关讨论可以参考这里 ↩
[5] Interface Block - OpenGL Wiki#Memory_layout) ↩

Effect Syntax

Effect 语法

语法框架

关于 effect 名称

关于 YAML

Pass 中可配置的参数

Shader 片段

Include 机制

预处理宏定义

Macro Tags

Functional Macros

Vertex Input¹

Fragment Ouput¹

自定义 Instanced 属性

WebGL 1 fallback 支持

关于 UBO 内存布局

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Effect 语法

语法框架

关于 effect 名称

关于 YAML

Pass 中可配置的参数

Shader 片段

Include 机制

预处理宏定义

Macro Tags

Functional Macros

Vertex Input1

Fragment Ouput1

自定义 Instanced 属性

WebGL 1 fallback 支持

关于 UBO 内存布局

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Vertex Input¹

Fragment Ouput¹