用数组来实现热度图

着色器难以掌握的一个典型的原因就是缺少合适的文档。许多开发者在学习着色器的时候被代码搞得一团糟，原因就是他们没有很深的知识来解释眼前到底发生了什么。事实上 Cg/HLSL 中有着大量的臆断，这些臆断又没有被正确的证明过，这就让问题变得更加的突出。Unity3d允许C#脚本使用诸如 SetFloat，SetInt，SetVector 等之类的方法来跟着色器通信。遗憾的是，Unity3D没有类似 SetArray 的方法，也正因如此导致很多开发者们以为 Cg/HLSL 不支持 数组（arrays）。但事实并非如此，这篇文章将会给你展示向着色器传递数组的可能性。需要注意的是GPU为并行计算进行了高度的优化，所以如果在着色器中使用 循环结构（loops） 将会极大的降低它的性能。

在这个知识点中，我们将会实现一个热度图，看起来大概跟下图一样：
diagram

始前准备
这个知识点中介绍的效果是从一些设置好的点中创建一个热度图。这个热度图将会覆盖在另外一张图片的上面，就像一张前置图片。下面是必要的步骤：
- 1.在Unity中使用一张纹理创建一个 quad，这张纹理就是用来创建热度图的那张纹理。在我们的例子中，使用了一张伦敦地图的纹理。
- 2.创建另外一个 quad，并且把它放在前面创建的那个quad的上面。我们的热度图将会在这个quad上产生。
- 3.创建一个对应的材质，并且把材质和着色器都应用到第二个quad上。

操作步骤
这个着色器跟我们之前创建的着色器还是有很大不同，当然它也相对较短。因此，下面的步骤中直接提供了着色器完整代码：

1.将下面的的着色器代码整个复制到新创建的着色器中：

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'
shader "Custom/Heatmap" 
{
    Properties 
    {
        _HeatTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    Subshader 
    {
        Tags {"Queue"="Transparent"}
        Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // Alpha blend
        Pass 
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            struct vertInput 
            {
                float4 pos : POSITION;
            };
            struct vertOutput {
                float4 pos : POSITION;
                fixed3 worldPos : TEXCOORD1;
            };

            vertOutput vert(vertInput input) 
            {
                vertOutput o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(input.pos);
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, input.pos).xyz;
                return o;
            }
            uniform int _Points_Length = 0;
            uniform float3 _Points [20]; // (x, y, z) = position
            uniform float2 _Properties [20]; // x = radius, y = intensity
            sampler2D _HeatTex;
            half4 frag(vertOutput output) : COLOR 
            {
                // Loops over all the points
                half h = 0;
                for (int i = 0; i < _Points_Length; i ++)
                {
                    // Calculates the contribution of each point
                    half di = distance(output.worldPos, _Points[i].xyz);
                    half ri = _Properties[i].x;
                    half hi = 1 - saturate(di / ri);
                    h += hi * _Properties[i].y;
                }
                // Converts (0-1) according to the heat texture
                h = saturate(h);
                half4 color = tex2D(_HeatTex, fixed2(h, 0.5));
                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Diffuse"
}

2.当你把这个着色器挂载到对应的材质球上的时候，你还需要为热度图提供一张渐变纹理。重要的是记得把这张纹理的 Wrap Mode 设置为 Clamp。下图中的纹理就是我们这个例子中使用的渐变纹理：

注意
如果你的热度图要作为一个覆盖层，那么还要确保这张渐变纹理有一个alpha通道并且导入图片设置那里记得勾选 Alpha is Transparency。
3.创建一个名为 Heatmaps 的C#脚本，并输入下面的代码：

using System.Collections;
using UnityEngine;
public class Heatmaps : MonoBehaviour
{
    public Vector3[] positions;
    public float[] radiuses;
    public float[] intensities;
    public Material material;
    void Start()
    {
        material.SetInt("_Points_Length", positions.Length);
        for (int i = 0; i < positions.Length; i++)
        {
            material.SetVector("_Points"+ i, positions[i]);
            Vector2 properties = new Vector2(radiuses[i], intensities[i]);
            material.SetVector("_Properties" + i, properties);
        }
    }
    void Update()
    {

    }
}

4.将这个脚本挂载到场景中的一个游戏对象上，最好是你之前创建的quad。然后将为这个效果创建的材质球拖拽到脚本中的 材质变量（material slot） 上。做完这些后，C#脚本就能访问材质球了并且会对它进行初始化。
5.最后，在C#脚本上，展开 positions，radiuses 和 intensities 这些数组变量，给它们填入热度图需要的参数值。positions 指的是热度图的位置点信息（世界坐标），radiuses 指的是热度图的半径大小，intensities 指的是热度图周围的强烈程度：

原理介绍
这个着色器的实现依赖了我们本书之前从来没有介绍的一些东西；首先第一个就是数组。在Cg语言中可以通过下面的语法创建数组：
```
uniform float3 _Points [20];
```
Cg不支持未知大小的数组：你必须要预先知道你要分配的空间大小。前面那行代码创建了一个20个元素的数组。

Unity并没有直接暴露出任何能初始化那些数组的方法。然而，里面的单个元素却可以用数组的名称 （_Points） 加元素位置的方式去访问，比如 _Points0 或者 _Points10 这样去访问。但是这种方式只对确切类型的数组有效，比如 float3 类型和 float2 类型。我们把这个C#脚本挂载在了一个quad上，然后对着色器中的数组元素逐个进行了初始化。

在着色器的片元函数中，每个循环结构中相似的事情是，对材质上的每个像素，求所有的点对热度图的影响程度：
```
// Loops over all the points
half h = 0;
for (int i = 0; i < _Points_Length; i ++)
{
    // Calculates the contribution of each point
    half di = distance(output.worldPos, _Points[i].xyz);
    half ri = _Properties[i].x;
    half hi = 1 - saturate(di / ri);
    h += hi * _Properties[i].y;
}
```
变量 h 保存了来自所有点的热度，它是根据半径和强度计算出来的。之后它就被用于查看到底该用渐变纹理上的哪些颜色。

着色器和数组其实是一个很好的组合，但是却很少有游戏能在使用时发挥出它们的全部潜力。然而在这里，它们却引来了一个很大的瓶颈，因为对于每一个像素来说，着色器都必须要去遍历完所有的点。

用数组来实现热度图#

用数组来实现热度图