Programming pipeline & shading language
大家好，今天想給大家介紹一下可編程渲染管線和著色器語言的相關基礎知識，使想上手SHADER編程的童鞋們可以快速揭開SHADER語言的神秘面紗
由于時間有限，我決定只講三個主要方面的內(nèi)容，其過程中肯定會有不詳細之處，還請見諒，就算是拋磚引玉，給大家一個簡單的入門引路。
本章內(nèi)容總共分為三個部分 一、3D渲染管線工作流程 二、可編程管線 三、著色器語言
3D渲染管線作為整個工作流程的基礎，是不可或缺的基本知識。因此，作一定的講解是有必要的。 但作為一個回顧內(nèi)容，就不會對具體的內(nèi)容進行講解，比如如何進行坐標系變換，如何進行光柵化等等。 我們僅關注的是整個工作的過程。
甚至，我們更關心的不是整個工作過程中的細節(jié)，而是我們所必須要關注的幾大流程。 如下圖
數(shù)據(jù)填充
當我們想實現(xiàn)一次渲染效果的時候，數(shù)據(jù)的提交（填充）是不可缺少的。 因此，工作流程的第一步就是要處理輸入的數(shù)據(jù)。
而我們最直接的接觸3D渲染流程的時機，也就是數(shù)據(jù)填充時，更確切的說，就是那一堆set數(shù)據(jù)的API。
數(shù)據(jù)填充允許我們提交我們想要的數(shù)據(jù)，比如頂點數(shù)據(jù)（如位置，法線，顏色，紋理坐標等）。常量（如世界矩陣，觀察矩陣，投影矩陣，紋理因子等等）。
變換&頂點光照
在這個階段，頂點會經(jīng)過世界變換，觀察變換，投影變換。 通常情況下，在頂點經(jīng)過觀察變換后，便開始做一些光照計算。 這一階段也是可編程管線所提供的頂點處理階段。也就是說，我們可以通過著色器程序來控制這一階段的結(jié)果。 在著色器程序中，我們可以任意地處理想要的數(shù)據(jù)，比如進行紋理坐標縮放，旋轉(zhuǎn)，隨機偏移等等。
裁剪&光柵化
當經(jīng)過坐標變換和光照后，頂點已經(jīng)被投影為2D坐標+深度信息。 一些不可見的頂點會被裁剪掉，比如那些處于背面的點。 同時，剩下的頂點會被插值計算，以形成由像素構(gòu)成的圖元。 所有的信息都會被插值，如紋理坐標，法線，顏色等。
像素處理
像素處理階段是一個最耗時，但是也是最能夠使你的渲染效果品質(zhì)更高的地方，像素最終的樣子會在此決定，你可以進行紋理映射，紋理混合，模糊，擴散等效果。
這也是可編程管線中可以使用SHADER控制的另一個處理過程，
像素的一些額外處理和輸出
當像素經(jīng)過像素處理階段后，并不能都有機會輸出到屏幕上，因為它們還要經(jīng)過深度（也有一些比較優(yōu)化的渲染管線將深度測試提到了像素處理前）和模板測試，ALPHA測試，經(jīng)過這些測試后， 還要進行一次ALPHA混合，這次與目標緩沖區(qū)的混合，就能夠?qū)崿F(xiàn)半透明效果。 虛擬世界中的五光十色就是因為這個半透明效果而生動。
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正如上面所說，在3D渲染流程中，我們能夠用著色器語言控制的就是“頂點變換和光照” 以及 “像素處理”階段。 在我們講如何控制之前我大概介紹一下GPU中用于處理著色器的最基本的幫手 － 寄存器。
GPU中的寄存器與CPU中的普通寄存器有一點不同， GPU中的每一個寄存器都是一個四維向量寄存器，即一個寄存器擁有4個浮點分量。 通常我們用
(x,y,z,w)或者(r,g,b,a)來表示。
輸入寄存器
輸入寄存器是GPU用來接受數(shù)據(jù)的寄存器，當我們將渲染數(shù)據(jù)填充到GPU時，其實就是將這些數(shù)據(jù)填充到這些輸入寄存器上。
比如，當我們將一個頂點的位置和法線提交后，GPU在處理這個頂點時，其對應的寄存器就會擁有這個頂點相應的值。
頂點處理階段和像素處理階段用到的輸入寄存器是不同的。輸入寄存器決定了對應的處理階段能夠做的事情。
比如，我們提交了一個三角形的頂點和紋理坐標信息，并且我們提交了一張紋理，用來對這個三角形做紋理映射。 但是，我們是不能在頂點處理階段就對其紋理做處理的。 因為我們不能在頂點處理時訪問紋理數(shù)據(jù)（如果真要這樣，那就只能夠使用頂點紋理了，這個內(nèi)容超出了本次介紹的范圍，固不再多說）。
常量寄存器
常量寄存器用來向著色器傳遞我們所需要控制的常量信息，比如，世界矩陣，觀察矩陣，投影矩陣，紋理矩陣等。 以及我們可以設置一些值，比如當前時間，用來實時偏移一個頂點的紋理坐標，使其紋理呈移動的效果。 又或者通過這個值，動態(tài)改變頂點的位置，使其出現(xiàn)波動效果。 這些就是常量寄存器可以干的事。
同樣，常量頂點處理階段和像素處理階段使用的常量寄存器也是不同的。不過，這種情況在SM 4.0以后得到改善，并且有一個趨勢，就是頂點處理和像素處理階段界線不再那么明顯。 他們可以共用寄存器，共用一些緩存。 但在你沒有完全掌握它們的特點以前，還是老老實實記住這個特性吧。
臨時寄存器
臨時寄存器使我們能夠在著色器處理的過程中存放一些臨時的值，若你是用高級著色語言編寫著色程序，那你是感覺不到臨時寄存器存在的，因為你僅僅是聲明了一個臨時變量。 但確實，這就是臨時寄存器的功勞。 它才是真正的幕后黑手。
紋理采樣寄存器
紋理寄存器用于存放你所提交的紋理，并且提供紋理采樣功能。 如臨近點采樣，雙線性采樣，三線性采樣等。 這些都肯定你的指示來做相應的工作。 它主要是輔助你完成紋理映射工作。
輸出寄存器
輸出寄存器就是你著色程序能夠輸出的內(nèi)容，輸出內(nèi)容通過輸出寄存器傳遞出來。 頂點處理程序的輸出有兩種， 一種是輸出到幀緩沖，另一種是輸出給像素處理程序，最典型的就是紋理坐標數(shù)據(jù)， 當頂點處理程序拿到輸入寄存器傳遞過來的紋理坐標值后，經(jīng)過一些處理，又輸出。 而真正需要使用這個信息的，就是像素處理程序。
常見的有 位置，紋理坐標，顏色等。
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下面，我們來看一下著色器語言吧。
著色器程序就如上面講的那樣，分為了頂點著色程序和像素著色程序。 你可能會發(fā)現(xiàn)，這里多了一個幾何著色程序，這個是后來新加入的兄弟，傳統(tǒng)的著色程序不能增加刪除頂點。 但是，它可以。 有興趣的童鞋中以繼續(xù)去了解。
著色器語言有高級語言和低級語言兩種。 低級語言采用的是匯編那種助記符方式。
如 dp4 r0,v0,c0 這樣的，表示將v0,c0點乘，并放入臨時寄存器r0中。
而高級語言則是C風格的，很符合人們的編程習慣。 與傳統(tǒng)的編程語言發(fā)展規(guī)律是相同的。
如 float temp = dot(dir,normal);
而常見的著色器語言中，低級語言如D3D中的LLSL，以及Adobe新出的Statge3D協(xié)同工作的AGAL.
高級語言如 CG,HLSL,GLSL應該很熟了吧。
CG是NVIDIA公司出的語言，它可以在D3D和OPENGL中工作，但需要使用NVIDIA對應的SDK。
HLSL是D3D協(xié)同工作的高級著色器語言。
GLSL是OPENGL協(xié)同工作的高級著色器語言。
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說了這么多，我們來看看一個簡單的例子吧。 HLSL版
我打上了注釋，就不再敘述
//VERTEX SHADER
float4x4 matViewProjection; //世界－觀察－投影矩陣
struct VS_INPUT //輸入結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容，表示我們SHADER所關心的內(nèi)容，同時，程序在進行數(shù)據(jù)填充時，應該保證這些關注的數(shù)據(jù)被提交
{
float4 Position : POSITION0; //位置
float2 Texcoord : TEXCOORD0; //紋理信息
};
struct VS_OUTPUT //輸出結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容，表示此SHADER的輸出
{
float4 Position : POSITION0; //位置信息，已經(jīng)經(jīng)過坐標系變換
float2 Texcoord : TEXCOORD0; //紋理信息
};
VS_OUTPUT vs_main( VS_INPUT Input ) //頂點程序的入口函數(shù)
{
VS_OUTPUT Output; //聲明一個結(jié)構(gòu)體
Output.Position = mul( Input.Position, matViewProjection ); //做矩陣變換
Output.Texcoord = Input.Texcoord; //直接輸出紋理信息， 如果你想對它做點手腳，是很容易的。 這就是FFP中紋理矩陣所做的事情。
return( Output );
}
//PIXEL SHADER 它就相對簡單多了
sampler2D baseMap; //紋理
struct PS_INPUT //輸入結(jié)構(gòu)，與VS中的輸入結(jié)構(gòu)類似，但此輸入結(jié)構(gòu)均來自于VS的輸出。
{
float2 Texcoord : TEXCOORD0; //表示我們只需要用到紋理坐標信息
};
float4 ps_main( PS_INPUT Input ) : COLOR0 //出口函數(shù)。 COLOR0表示我們輸出的float4是用作顏色輸出， 也可以定義類似 PS_OUTPUT的結(jié)構(gòu)
{
return tex2D( baseMap, Input.Texcoord ); //很簡單，就是取得對應紋理坐標處的像素值，輸出， 你可以在此做一些事情，比如調(diào)得更亮，或者拿另一張紋理采樣，與它混合。 混合的公式就由你自己定了，你想寫得多復雜都可以。 理論是如此。
}
//========== 感興趣的朋友可以看看上面的SHADER對應的低級版本＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
// VS
// Generated by Microsoft (R) HLSL Shader Compiler 9.22.949.2248
//
// Parameters:
//
// float4x4 matViewProjection;
//
//
// Registers:
//
// Name Reg Size
// ----------------- ----- ----
// matViewProjection c0 4
//
vs_2_0
dcl_position v0
dcl_texcoord v1
dp4 oPos.x, v0, c0
dp4 oPos.y, v0, c1
dp4 oPos.z, v0, c2
dp4 oPos.w, v0, c3
mov oT0.xy, v1
// approximately 5 instruction slots used
//PS
//
// Generated by Microsoft (R) HLSL Shader Compiler 9.22.949.2248
//
// Parameters:
//
// sampler2D baseMap;
//
//
// Registers:
//
// Name Reg Size
// ------------ ----- ----
// baseMap s0 1
//
ps_2_0
dcl t0.xy
dcl_2d s0
texld r0, t0, s0
mov oC0, r0
// approximately 2 instruction slots used (1 texture, 1 arithmetic)
說到這里，差不多要結(jié)束了。但還是再多說兩句。
由于硬件條件的限制 VS和PS中對指令條數(shù)和可使用的寄存器個數(shù)都有限制，雖然隨著硬件的發(fā)展，這個限制已經(jīng)可以被忽略了。比如SM 4.0就已經(jīng)將這個限制放寬到很大。
但當我們在寫著色程序時，除了追求效果外，還要追求效率。因此，節(jié)約使用資源將會提升效率， 一個很好我評判標準就是你的SHADER所使用的指令數(shù)
如上面低級語言版本中 VS,PS都有如下內(nèi)容
// approximately 5 instruction slots used
// approximately 2 instruction slots used (1 texture, 1 arithmetic)
因此，它將能夠很直觀地評估出你SHADER的效率。 但真正的結(jié)果，還是要實際測試。 由于硬件的不同，可能還存在兼容性上的問題。
祝各位一路順風。
上面的SHADER代碼取自 RenderDonkey 這個軟件 在ATI官網(wǎng)上可以下載。
或者，直接點這里http://developer.amd.com/archive/gpu/rendermonkey/pages/default.aspx