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(yǔ)言的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，使想上手SHADER編程的童鞋們可以快速揭開(kāi)SHADER語(yǔ)言的神秘面紗
由于時(shí)間有限，我決定只講三個(gè)主要方面的內(nèi)容，其過(guò)程中肯定會(huì)有不詳細(xì)之處，還請(qǐng)見(jiàn)諒，就算是拋磚引玉，給大家一個(gè)簡(jiǎn)單的入門(mén)引路。
本章內(nèi)容總共分為三個(gè)部分 一、3D渲染管線工作流程 二、可編程管線 三、著色器語(yǔ)言
3D渲染管線作為整個(gè)工作流程的基礎(chǔ)，是不可或缺的基本知識(shí)。因此，作一定的講解是有必要的。 但作為一個(gè)回顧內(nèi)容，就不會(huì)對(duì)具體的內(nèi)容進(jìn)行講解，比如如何進(jìn)行坐標(biāo)系變換，如何進(jìn)行光柵化等等。 我們僅關(guān)注的是整個(gè)工作的過(guò)程。
甚至，我們更關(guān)心的不是整個(gè)工作過(guò)程中的細(xì)節(jié)，而是我們所必須要關(guān)注的幾大流程。 如下圖
數(shù)據(jù)填充
當(dāng)我們想實(shí)現(xiàn)一次渲染效果的時(shí)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(shí)機(jī)，也就是數(shù)據(jù)填充時(shí)，更確切的說(shuō)，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(diǎn)數(shù)據(jù)（如位置，法線，顏色，紋理坐標(biāo)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(diǎn)光照
在這個(gè)階段，頂點(diǎn)會(huì)經(jīng)過(guò)世界變換，觀察變換，投影變換。 通常情況下，在頂點(diǎn)經(jīng)過(guò)觀察變換后，便開(kāi)始做一些光照計(jì)算。 這一階段也是可編程管線所提供的頂點(diǎn)處理階段。也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)著色器程序來(lái)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(jìn)行紋理坐標(biāo)縮放，旋轉(zhuǎn)，隨機(jī)偏移等等。
裁剪&光柵化
當(dāng)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換和光照后，頂點(diǎn)已經(jīng)被投影為2D坐標(biāo)+深度信息。 一些不可見(jiàn)的頂點(diǎn)會(huì)被裁剪掉，比如那些處于背面的點(diǎn)。 同時(shí)，剩下的頂點(diǎn)會(huì)被插值計(jì)算，以形成由像素構(gòu)成的圖元。 所有的信息都會(huì)被插值，如紋理坐標(biāo)，法線，顏色等。
像素處理
像素處理階段是一個(gè)最耗時(shí)，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(huì)在此決定，你可以進(jìn)行紋理映射，紋理混合，模糊，擴(kuò)散等效果。
這也是可編程管線中可以使用SHADER控制的另一個(gè)處理過(guò)程，
像素的一些額外處理和輸出
當(dāng)像素經(jīng)過(guò)像素處理階段后，并不能都有機(jī)會(huì)輸出到屏幕上，因?yàn)樗鼈冞€要經(jīng)過(guò)深度（也有一些比較優(yōu)化的渲染管線將深度測(cè)試提到了像素處理前）和模板測(cè)試，ALPHA測(cè)試，經(jīng)過(guò)這些測(cè)試后， 還要進(jìn)行一次ALPHA混合，這次與目標(biāo)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?yàn)檫@個(gè)半透明效果而生動(dòng)。
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正如上面所說(shuō)，在3D渲染流程中，我們能夠用著色器語(yǔ)言控制的就是“頂點(diǎn)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(diǎn)不同， GPU中的每一個(gè)寄存器都是一個(gè)四維向量寄存器，即一個(gè)寄存器擁有4個(gè)浮點(diǎn)分量。 通常我們用
(x,y,z,w)或者(r,g,b,a)來(lái)表示。
輸入寄存器
輸入寄存器是GPU用來(lái)接受數(shù)據(jù)的寄存器，當(dāng)我們將渲染數(shù)據(jù)填充到GPU時(shí)，其實(shí)就是將這些數(shù)據(jù)填充到這些輸入寄存器上。
比如，當(dāng)我們將一個(gè)頂點(diǎn)的位置和法線提交后，GPU在處理這個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的寄存器就會(huì)擁有這個(gè)頂點(diǎn)相應(yīng)的值。
頂點(diǎn)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(duì)應(yīng)的處理階段能夠做的事情。
比如，我們提交了一個(gè)三角形的頂點(diǎn)和紋理坐標(biāo)信息，并且我們提交了一張紋理，用來(lái)對(duì)這個(gè)三角形做紋理映射。 但是，我們是不能在頂點(diǎn)處理階段就對(duì)其紋理做處理的。 因?yàn)槲覀儾荒茉陧旤c(diǎn)處理時(shí)訪問(wèn)紋理數(shù)據(jù)（如果真要這樣，那就只能夠使用頂點(diǎn)紋理了，這個(gè)內(nèi)容超出了本次介紹的范圍，固不再多說(shuō)）。
常量寄存器
常量寄存器用來(lái)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(shè)置一些值，比如當(dāng)前時(shí)間，用來(lái)實(shí)時(shí)偏移一個(gè)頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)，使其紋理呈移動(dòng)的效果。 又或者通過(guò)這個(gè)值，動(dòng)態(tài)改變頂點(diǎn)的位置，使其出現(xiàn)波動(dòng)效果。 這些就是常量寄存器可以干的事。
同樣，常量頂點(diǎn)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(guò)，這種情況在SM 4.0以后得到改善，并且有一個(gè)趨勢(shì)，就是頂點(diǎn)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(méi)有完全掌握它們的特點(diǎn)以前，還是老老實(shí)實(shí)記住這個(gè)特性吧。
臨時(shí)寄存器
臨時(shí)寄存器使我們能夠在著色器處理的過(guò)程中存放一些臨時(shí)的值，若你是用高級(jí)著色語(yǔ)言編寫(xiě)著色程序，那你是感覺(jué)不到臨時(shí)寄存器存在的，因?yàn)槟銉H僅是聲明了一個(gè)臨時(shí)變量。 但確實(shí)，這就是臨時(shí)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(diǎn)采樣，雙線性采樣，三線性采樣等。 這些都肯定你的指示來(lái)做相應(yīng)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(guò)輸出寄存器傳遞出來(lái)。 頂點(diǎn)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(biāo)數(shù)據(jù)， 當(dāng)頂點(diǎn)處理程序拿到輸入寄存器傳遞過(guò)來(lái)的紋理坐標(biāo)值后，經(jīng)過(guò)一些處理，又輸出。 而真正需要使用這個(gè)信息的，就是像素處理程序。
常見(jiàn)的有 位置，紋理坐標(biāo)，顏色等。
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下面，我們來(lái)看一下著色器語(yǔ)言吧。
著色器程序就如上面講的那樣，分為了頂點(diǎn)著色程序和像素著色程序。 你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，這里多了一個(gè)幾何著色程序，這個(gè)是后來(lái)新加入的兄弟，傳統(tǒng)的著色程序不能增加刪除頂點(diǎn)。 但是，它可以。 有興趣的童鞋中以繼續(xù)去了解。
著色器語(yǔ)言有高級(jí)語(yǔ)言和低級(jí)語(yǔ)言?xún)煞N。 低級(jí)語(yǔ)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(diǎn)乘，并放入臨時(shí)寄存器r0中。
而高級(jí)語(yǔ)言則是C風(fēng)格的，很符合人們的編程習(xí)慣。 與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言發(fā)展規(guī)律是相同的。
如 float temp = dot(dir,normal);
而常見(jiàn)的著色器語(yǔ)言中，低級(jí)語(yǔ)言如D3D中的LLSL，以及Adobe新出的Statge3D協(xié)同工作的AGAL.
高級(jí)語(yǔ)言如 CG,HLSL,GLSL應(yīng)該很熟了吧。
CG是NVIDIA公司出的語(yǔ)言，它可以在D3D和OPENGL中工作，但需要使用NVIDIA對(duì)應(yīng)的SDK。
HLSL是D3D協(xié)同工作的高級(jí)著色器語(yǔ)言。
GLSL是OPENGL協(xié)同工作的高級(jí)著色器語(yǔ)言。
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說(shuō)了這么多，我們來(lái)看看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子吧。 HLSL版
我打上了注釋?zhuān)筒辉贁⑹?/p>
//VERTEX SHADER
float4x4 matViewProjection; //世界－觀察－投影矩陣
struct VS_INPUT //輸入結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容，表示我們SHADER所關(guān)心的內(nèi)容，同時(shí)，程序在進(jìn)行數(shù)據(jù)填充時(shí)，應(yīng)該保證這些關(guān)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(gè)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(guò)坐標(biāo)系變換
float2 Texcoord : TEXCOORD0; //紋理信息
};
VS_OUTPUT vs_main( VS_INPUT Input ) //頂點(diǎn)程序的入口函數(shù)
{
VS_OUTPUT Output; //聲明一個(gè)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(duì)它做點(diǎn)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(duì)簡(jiǎn)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(lèi)似，但此輸入結(jié)構(gòu)均來(lái)自于VS的輸出。
{
float2 Texcoord : TEXCOORD0; //表示我們只需要用到紋理坐標(biāo)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(lèi)似 PS_OUTPUT的結(jié)構(gòu)
{
return tex2D( baseMap, Input.Texcoord ); //很簡(jiǎn)單，就是取得對(duì)應(yīng)紋理坐標(biāo)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(xiě)得多復(fù)雜都可以。 理論是如此。
}
//========== 感興趣的朋友可以看看上面的SHADER對(duì)應(yīng)的低級(jí)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(shuō)到這里，差不多要結(jié)束了。但還是再多說(shuō)兩句。
由于硬件條件的限制 VS和PS中對(duì)指令條數(shù)和可使用的寄存器個(gè)數(shù)都有限制，雖然隨著硬件的發(fā)展，這個(gè)限制已經(jīng)可以被忽略了。比如SM 4.0就已經(jīng)將這個(gè)限制放寬到很大。
但當(dāng)我們?cè)趯?xiě)著色程序時(shí)，除了追求效果外，還要追求效率。因此，節(jié)約使用資源將會(huì)提升效率， 一個(gè)很好我評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)就是你的SHADER所使用的指令數(shù)
如上面低級(jí)語(yǔ)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(píng)估出你SHADER的效率。 但真正的結(jié)果，還是要實(shí)際測(cè)試。 由于硬件的不同，可能還存在兼容性上的問(wèn)題。
祝各位一路順風(fēng)。
上面的SHADER代碼取自 RenderDonkey 這個(gè)軟件 在ATI官網(wǎng)上可以下載。
或者，直接點(diǎn)這里http://developer.amd.com/archive/gpu/rendermonkey/pages/default.aspx