引言

高層著色語言(HLSL)是DirectX® 9最為強(qiáng)力的新組件之一。使用這種標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)語言, 在進(jìn)行著色時(shí)編寫者可以專注于算法而不用再去理會(huì)諸如寄存器的分配，寄存器讀端口限制, 并行處理指令等等硬件細(xì)節(jié). 除了把開發(fā)者從硬件細(xì)節(jié)中解放出來之外，HLSL 也具有高級(jí)語言所有的全部?jī)?yōu)勢(shì)，諸如：代碼重用容易, 可讀性增強(qiáng)以及存在一個(gè)優(yōu)化過的編譯器。本書和 ShaderX² - Shader Tips & Tricks 這本書的許多章節(jié)就用到了HLSL編寫的著色器. 閱讀完本章引言后，你會(huì)很容易理解那些著色器并在工作中用到它們。

這一章, 我們概述語言本身的基本結(jié)構(gòu)以及將HLSL集成到你的應(yīng)用程序中的方法。

一個(gè)簡(jiǎn)單的示例

在徹底描述HLSL之前, 讓我們先看一下程序中HLSL頂點(diǎn)著色和HLSL像素著色的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)程序渲染簡(jiǎn)單的木紋。下邊顯示的第一個(gè)HLSL著色是一個(gè)簡(jiǎn)單的頂點(diǎn)著色:

float4x4 view_proj_matrix;
float4x4 texture_matrix0;
struct VS_OUTPUT
{   float4 Pos     : POSITION;
   float3 Pshade  : TEXCOORD0;
};
VS_OUTPUT main (float4 vPosition : POSITION)
{  
 VS_OUTPUT Out = (VS_OUTPUT) 0;    //Transform position to clip space   
Out.Pos = mul (view_proj_matrix, vPosition);   // Transform Pshade   Out.Pshade = mul (texture_matrix0, vPosition); 
  return Out;}

最開始兩行聲明了一對(duì)4×4的矩陣，分別命名為view_proj_matrix和texture_matrix0。在全局矩陣之后，聲明了一個(gè)結(jié)構(gòu)體。這個(gè)VS_OUTPUT有兩個(gè)成員：Pos和Pshade。

該著色器的main函數(shù)接受一個(gè)單精度float4類型的輸入?yún)?shù)并返回一個(gè)VS_OUTPUT結(jié)構(gòu)體。float4類型的vPosition是著色器唯一的輸入，返回的VS_OUTPUT結(jié)構(gòu)體定義了該頂點(diǎn)著色器的輸出。目前不必關(guān)心在參數(shù)和結(jié)構(gòu)體之后的關(guān)鍵字POSITION和TEXCOORD0。它們被稱為語義，他們的含義將在本章后邊討論。

看一下main函數(shù)的實(shí)際代碼部分，你可以看到一個(gè)內(nèi)部函數(shù)mul，它被用來把輸入的向量vPosition和矩陣view_proj_matrix相乘。在頂點(diǎn)著色器中這個(gè)函數(shù)最常被用來執(zhí)行頂點(diǎn)-矩陣的乘法。就這樣，vPosition被作為列向量，因?yàn)樗莔ul的第二個(gè)參數(shù)。如果向量 vPosition是mul的第一個(gè)參數(shù)，它將被作為行向量。內(nèi)部函數(shù)mul以及其他內(nèi)部函數(shù)將在本章后邊更詳細(xì)的討論。在把輸入的vPosition的位置轉(zhuǎn)換換到裁減空間之后，vPosition與另一個(gè)矩陣texture_matrix0相乘以產(chǎn)生3D紋理坐標(biāo)。兩次轉(zhuǎn)換的結(jié)果寫入返回的結(jié)構(gòu)體 VS_OUTPUT。一個(gè)頂點(diǎn)著色器必須總是以最小值輸出到一個(gè)裁減空間位置。任何從頂點(diǎn)著色器輸出的額外值都是通過貫穿光柵化多邊型插值得到的，也可用來輸入到像素著色器。就這樣，通過一個(gè)內(nèi)插器， 三維的Pshade從頂點(diǎn)著色器被傳遞到像素著色器。

下邊，我們看到一個(gè)簡(jiǎn)單的HLSL木紋像素著色器。這個(gè)像素著色器和剛才我們描述的頂點(diǎn)著色器一起工作，它將被編譯成模型ps_2_0。

 
float4 lightWood; // xyz == Light Wood 
Colorfloat4 darkWood;  // xyz == Dark Wood 
Colorfloat  ringFreq;  // ring
 frequencysampler PulseTrainSampler;
float4 hlsl_rings (float4 Pshade : TEXCOORD0) : COLOR
{   
 float scaledDistFromZAxis = sqrt(dot(Pshade.xy, Pshade.xy)) * ringFreq; 
   float blendFactor = tex1D (PulseTrainSampler, scaledDistFromZAxis); 
    return lerp (darkWood, lightWood, blendFactor);
}

最開始幾行在全局范圍內(nèi)聲明了一對(duì)浮點(diǎn)類型的四元數(shù)組和一個(gè)浮點(diǎn)變量。在這些變量之后，聲明了一個(gè)被稱為PulseTrainSampler的取樣器。取樣器將在章節(jié)后邊討論，目前你可以把它看成一個(gè)在顯存中的窗口，它與過濾狀態(tài)和紋理坐標(biāo)尋址模式發(fā)生關(guān)聯(lián)。在變量和取樣器聲明后邊是著色器代碼的主體部分。你可以看到有一個(gè)輸入?yún)?shù)Pshade，它是貫穿多邊形插值得到的。它的值是由頂點(diǎn)著色器計(jì)算每一個(gè)頂點(diǎn)得出的。在像素著色器中，把著色空間Z軸上的笛卡爾距離作為一維紋理坐標(biāo)來計(jì)算，衡量，使用，以存取綁定于PulseTrainSampler的紋理。tex1D()取樣函數(shù)返回的顏色標(biāo)量被用作混合因子，以混合在著色器全局范圍內(nèi)聲明的兩種相反顏色。像素著色器最終輸出一個(gè)混合的四元向量結(jié)果。所有的像素著色器至少必須返回一個(gè)四元 RGBA 顏色。我們將在稍后章節(jié)中討論像素著色器的附加選項(xiàng)。

匯編語言和編譯對(duì)象

既然我們已經(jīng)了解了一些HLSL著色器，這里簡(jiǎn)要討論一下如何在代碼中涉及Direct3D，D3DX，匯編著色器模型和你的程序。DirectX 8中第一次把著色器引入了Direct3D。在那個(gè)時(shí)候，這些虛擬著色器是這樣定義的——每一個(gè)大致相當(dāng)于一個(gè)特殊的3D硬件商生產(chǎn)的圖形處理器。每個(gè)虛擬著色器都設(shè)計(jì)有匯編語言。在DirectX 8.0和DirectX 8.1中，編寫這些著色器模型的程序(被命名為vs_1_1以及ps_1_1直到ps_1_4)相對(duì)短小并且一般由開發(fā)者直接用合適的匯編語言編寫。如圖 1左所示，憑借D3DXAssembleShader()程序把人們可讀的匯編語言代碼傳遞給D3DX庫并返回著色器的二進(jìn)制表示，該二進(jìn)制表示由 CreatePixelShader()或CreateVertexShader()依次傳遞給Direct3D。更多傳統(tǒng)匯編著色模型的細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考在線和離線資源，包括Shader X 和DirectX SDK。

圖1. Use of D3DX for Assembly and Compilation in DirectX 8 and DirectX 9

如圖1右所示，在DirectX 9中的情形非常相似，憑借D3DXCompileShader() API，程序把HLSL著色器傳遞給D3DX并返回編譯后著色器的二進(jìn)制表示，該二進(jìn)制表示由CreatePixelShader()或 CreateVertexShader()輪流傳遞給Direct3D。生成的二進(jìn)制匯編代碼是一個(gè)函數(shù)，它只取決于選擇的編譯對(duì)象，而不是什么用戶或開發(fā)者系統(tǒng)上的特殊圖形設(shè)備。就是說，生成的二進(jìn)制匯編程序與平臺(tái)無關(guān)，即可在任何地方編譯或運(yùn)行。事實(shí)上，Direct3D運(yùn)行時(shí)本身并不知道HLSL的任何內(nèi)容，除了二進(jìn)制匯編著色器模型。這樣做很有好處因?yàn)檫@就意味著 HLSL編譯器的更新不必依賴于Direct3D運(yùn)行時(shí)。事實(shí)上，在2003年夏季末本書截稿與首印期之間，Microsoft開始計(jì)劃發(fā)布含有更新過的 HLSL編譯器的DirectX SDK更新。

除了D3DX中HLSL編譯器的開發(fā)之外，DirectX 9.0也提出了另外的匯編層著色器模型以展示最新的3D圖形硬件的功能。直接使用匯編語言為新的模型(vs_2_0，vs_3_0，ps_2_0和ps_3_0) 做開發(fā)，程序開發(fā)人員會(huì)感到自由，不過我們希望絕大多數(shù)開發(fā)人員都轉(zhuǎn)移到HLSL從而專注于著色器的開發(fā)。

實(shí)際的硬件

當(dāng)然，僅僅因?yàn)槟憧梢詫懸粋€(gè)HLSL程序來表達(dá)一個(gè)特殊的著色算法不等于它能夠在硬件上運(yùn)行。前面已經(jīng)討論過，應(yīng)用程序通過調(diào)用D3DX中的 D3DXCompileShader() API把HLSL著色器編譯成二進(jìn)制匯編程序。這個(gè)API的入口參數(shù)之一是這樣一個(gè)參數(shù)：它定義了HLSL編譯器使用哪一個(gè)匯編語言模型(或編譯對(duì)象)來表示最終著色器代碼。如果一個(gè)程序在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行HLSL著色器編譯，程序會(huì)檢測(cè)Direct3D設(shè)備的性能并選擇匹配的編譯對(duì)象。如果HLSL著色器中的算法太復(fù)雜以至于不能在選擇的編譯對(duì)象上執(zhí)行，編譯將會(huì)失敗。這意味著盡管HLSL大大有利于著色器的開發(fā)，卻不會(huì)把開發(fā)人員從這么一個(gè)現(xiàn)實(shí)中解放出來：把游戲封裝后給擁有各種性能圖形設(shè)備的用戶。作為一個(gè)游戲開發(fā)人員，你仍然得為你的圖像處理好一系列步驟，為更好的顯示卡編寫更好的著色器，為較老的卡編寫更基本的。不過，有了編寫完善的HLSL，負(fù)擔(dān)可以大大減輕。

編譯失敗

如上所述, 給定的HLSL著色器編譯特殊對(duì)象的失敗說明對(duì)于編譯對(duì)象來說著色器太過復(fù)雜。這就意味著著色器需要大量的資源或是需要一些諸如動(dòng)態(tài)分支(不被所選編譯對(duì)象所支持)的功能。例如，某個(gè)HLSL著色器可能被編寫用于在一個(gè)著色器內(nèi)存取所給定的六重紋理貼圖。如果這個(gè)著色器被編譯成ps_1_1, 編譯將會(huì)失敗，因?yàn)閜s_1_1模型只支持四重紋理。其他編譯失敗的通常原因是超過了所選編譯對(duì)象的最大指令計(jì)數(shù)器。某個(gè)HLSL中表示的算法也許僅僅需要大量指令而使得給定的編譯對(duì)象不能被執(zhí)行。

要重點(diǎn)注意的是所選編譯對(duì)象不會(huì)限定編寫人員所使用的HLSL語法。例如，著色器編寫人員會(huì)使用'for'循環(huán)，子程序，'if-else'等等語句，編譯本身不支持循換，分支或'if-else'語句的對(duì)象。這種情況下，編譯器將展開循環(huán)，內(nèi)聯(lián)函數(shù)調(diào)用并同時(shí)執(zhí)行'if-else'語句的兩個(gè)分支(譯者注：即if與else后的語句全都執(zhí)行)，根據(jù)'if-else'語句中所使用的原始值選擇合適的結(jié)果。當(dāng)然，如果最后所得到的著色器(程序)太長(zhǎng)或相反超出了編譯對(duì)象的資源，編譯將失敗。

命令行編譯器: FXC

許多開發(fā)人員選擇在著色器被封裝之前把它從HLSL編譯成二進(jìn)制匯編語言，而不是在正在使用D3DX的客戶機(jī)器上當(dāng)程序載入時(shí)或首次運(yùn)行時(shí)編譯HLSL著色器。這保證了HLSL源代碼不被窺視，同時(shí)也確保所有其程序能夠永久運(yùn)行的著色器已經(jīng)通過其內(nèi)部質(zhì)量確認(rèn)流程。在DirectX 9.0 SDK中提供了一個(gè)方便的命令行編譯程序fxc允許開發(fā)人員脫機(jī)編譯著色器。該程序有許多方便的選項(xiàng)，你不但可以以命令行方式編譯你的著色器，也能產(chǎn)生指定編譯對(duì)象的反匯編代碼。如果你想優(yōu)化你的著色器或只是想更詳細(xì)的了解虛擬著色器的性能，在開發(fā)期間研究輸出的反匯編代碼是非常有用的。表1列出了這些命令行選項(xiàng)。

表1. FXC 命令行選項(xiàng)

既然你了解了用于著色器開發(fā)的HLSL編譯器的內(nèi)容，我們就可以討論實(shí)際的語言結(jié)構(gòu)了。 在我們繼續(xù)下面內(nèi)容的時(shí)候，頭腦里要一直保留著編譯對(duì)象的概念以及潛在的匯編著色器模型的不同性能，這很重要。