圖1.1 Direct3D Graphics Pipeline

之前我們使用管道的步驟如下：

1.       設(shè)定頂點(diǎn)、圖元、紋理等數(shù)據(jù)信息；

2.       設(shè)定管道狀態(tài)信息；

²        渲染狀態(tài)

通過SetRenderState方法設(shè)定渲染狀態(tài)；

另外，使用以下方法設(shè)置變換、材質(zhì)和光照：

              SetTransform

              SetMaterial

SetLight

              LightEnable

²        取樣器狀態(tài)

通過SetSamplerState方法設(shè)定取樣器狀態(tài)；

²        紋理層狀態(tài)

通過SetTextureStageState設(shè)定紋理層狀態(tài)；

3.       渲染；

這部分交由D3D管道按照之前的設(shè)定自行完成，這部分操作是D3D預(yù)先固定的，所以這種管道技術(shù)被稱為固定功能管道(fixed function pipeline)；

固定功能管道給我們編程提供了一定的靈活性，但是仍有很多效果難以通過這種方式實(shí)現(xiàn)，比如：

1.       在渲染過程中，我們要求y坐標(biāo)值大于10的頂點(diǎn)要被繪制到坐標(biāo)值（0，0，0）的地方，在之前的固定功能管道中，頂點(diǎn)被繪制的位置是在第1步即被設(shè)定好的，不可能在渲染過程中進(jìn)行改變，所以是不可行的；

2.       謀頂點(diǎn)在紋理貼圖1上映射為點(diǎn)A，在紋理貼圖2上映射為點(diǎn)B，我們要求該頂點(diǎn)顏色由A、B共同決定，即：

定點(diǎn)顏色 = A點(diǎn)色彩值*0.7 + B點(diǎn)色彩值*0.3

   這在固定管道編程中也是不可行的。

以上兩個(gè)問題都可以由可編程管道（pragrammable pipeline）來解決。

       可編程管線允許用戶自定義一段可以在GPU上執(zhí)行的程序，代替固定管道技術(shù)中的Vertex Processing和Pixel Processing階段（參照?qǐng)D1.1），從而在使我們?cè)诰幊讨羞_(dá)到更大的靈活性。其中替換Vertex Processing的部分叫做Vertex Shader（頂點(diǎn)著色器），替換Pixel Proccessing的部分叫做Pixel Shader（像素著色器），這就是我們所說的著色器Shader。

1.2什么是HLSL

Direct8.x中，著色器是通過低級(jí)著色匯編語言來編寫的，這樣的程序更像是匯編式的指令集合，由于其效率低、可讀性差、版本限制等缺點(diǎn)，迫切要求出現(xiàn)一門更高級(jí)的著色語言。到了Direct3D9，HLSL（High Level Shading Language，高級(jí)渲染語言）應(yīng)運(yùn)而生了。

HLSL的語法非常類似于C和C++，學(xué)習(xí)起來是很方便的。

1.3怎么寫HLSL著色器

我們可以直接把HLSL著色器代碼作為一長(zhǎng)串字符串編寫進(jìn)我們的應(yīng)用程序源文件中，但是，更加方便和模塊化的方法是把著色器的代碼從應(yīng)用程序代碼中分離出來。因此，我們將著色器代碼單獨(dú)保存為文本格式，然后在應(yīng)用程序中使用特定函數(shù)將其加載進(jìn)來。

下面是一個(gè)完整的HLSL著色器程序代碼，我們把它保存在BasicHLSL.txt中。該著色器完成頂點(diǎn)的世界變換、觀察變換和投影變幻，并將頂點(diǎn)顏色設(shè)定為指定的顏色。

//

// BasicHLSL.txt

//

//

// Global variable

//

matrix WVPMatrix;

vector color;

//

// Structures

//

struct VS_INPUT

{

       vector position : POSITION;

};

struct VS_OUTPUT

{

       vector position : POSITION;

       vector color : COLOR;

};

//

// Functions

//

VS_OUTPUT SetColor(VS_INPUT input)

{

       VS_OUTPUT output = (VS_OUTPUT)0;

       output.position = mul(input.position, WVPMatrix);     

       output.color = color;

       return output;

}

下面就針對(duì)上述代碼講解一下HLSL著色器程序的編寫：

1.3.1全局變量

       代碼中聲明了兩個(gè)全局變量：

matrix WVPMatrix;

vector color;

       變量WVPMatrix是一個(gè)矩陣類型，它包含了世界、觀察、投影的合矩陣，用于對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換；

       變量color是一個(gè)向量類型，它用于設(shè)定頂點(diǎn)顏色；

       代碼中并沒有對(duì)全局變量進(jìn)行初始化，這是因?yàn)槲覀儗?duì)全局變量的初始化過程將在應(yīng)用程序中進(jìn)行，全局變量在應(yīng)用程序中賦值而在著色器程序中使用，這是應(yīng)用程序和著色器通信的關(guān)鍵所在。具體賦值過程將在后續(xù)部分講述。

1.3.2輸入輸出

²        輸入輸出結(jié)構(gòu)

程序中定義了兩個(gè)輸入輸出結(jié)構(gòu)VS_INPUT和VS_OUTPUT

struct VS_INPUT

{

       vector position : POSITION;

};

struct VS_OUTPUT

{

       vector position : POSITION;

       vector color : COLOR;

};

自定義的結(jié)構(gòu)可以采用任意名稱，結(jié)構(gòu)不過是一種組織數(shù)據(jù)的方式，并不是強(qiáng)制的，你也可以不使用，而將本程序的輸入改為：

       vector position : POSITION;

²        標(biāo)志符

用于輸入輸出的變量采用用一種特殊的聲明方式：

Type VariableName : Semantic

       這個(gè)特殊的冒號(hào)語法表示一個(gè)語義，冒號(hào)后面的標(biāo)志符用來指定變量的用途，如

vector position : POSITION;

       其中，POSITION標(biāo)志符表明該變量表示頂點(diǎn)位置，另外還有諸如COLOR、NORMAL等很多表示其他意義的標(biāo)志符。

本節(jié)所說的輸入輸出其實(shí)是指著色器代碼和編譯器、GPU之間的通信，和應(yīng)用程序是無關(guān)的，所以這些變量不需要在應(yīng)用程序中進(jìn)行賦值，標(biāo)志符告訴編譯器各個(gè)輸入輸出變量的用途（頂點(diǎn)位置、法線、顏色等），這是著色器代碼和編譯器、GPU之間通信的關(guān)鍵。

1.3.3入口函數(shù)

       程序中還定義了一個(gè)函數(shù)SetColor：

OUTPUT SetColor(INPUT input)

{

       VS_OUTPUT output = (VS_OUTPUT)0;

       output.position = mul(input.position, WVPMatrix);     

       output.color = color;

       return output;

}

1.       該函數(shù)以input和output類型作為輸入輸出；

2.       使全局變量WVPMatrix和input.position相乘，以完成頂點(diǎn)的世界、觀察、投影變換，并把結(jié)果賦值到output.position；

output.position = mul(input.position, WVPMatrix);

3.       將全局變量color的值賦給output.color；

output.color = color;

4.       在同一個(gè)著色器代碼文件中，可以有多個(gè)用戶自定義函數(shù)，因此在應(yīng)用程序中需要指定一個(gè)入口函數(shù)，相當(dāng)于windows程序的WinMain函數(shù)，本程序只包含SetColor一個(gè)函數(shù)而且它將被做為入口函數(shù)使用。

1.3.4總結(jié)

       至此，一個(gè)HLSL著色器編寫完畢，渲染過程中，當(dāng)一個(gè)頂點(diǎn)被送到著色器時(shí)：

1.       全局變量WVPMatrix、color將在應(yīng)用程序中被賦值；

2.       入口函數(shù)SetColor被調(diào)用編譯器根據(jù)標(biāo)志符將頂點(diǎn)信息填充到VS_INPUT中的各個(gè)字段；

3.       SetColor函數(shù)中，首先定義一個(gè)VS_OUTPUT信息，之后根據(jù)WVPMatrix和color變量完成頂點(diǎn)的坐標(biāo)變換和顏色設(shè)定操作，最后函數(shù)返回VS_OUTPUT結(jié)構(gòu)；

4.       編譯器將會(huì)再次根據(jù)標(biāo)志符把返回的VS_OUTPUT結(jié)構(gòu)中的各字段映射為頂點(diǎn)相應(yīng)的信息。

5.       頂點(diǎn)被送往下一個(gè)流程接受進(jìn)一步處理。

上述過程中，全局變量在應(yīng)用程序中賦值而在著色器程序中使用，這是應(yīng)用程序和著色器通信的關(guān)鍵所在；標(biāo)志符告訴編譯器各個(gè)輸入輸出變量的用途（頂點(diǎn)位置、法線、顏色等），這是著色器代碼和編譯器、GPU之間通信的關(guān)鍵。個(gè)人認(rèn)為這是著色器中最為精義的地方:)

1.4怎么用HLSL著色器

應(yīng)用程序中對(duì)HLSL著色器的使用分為以下步驟：

1.       加載（稱為編譯更為妥當(dāng)）著色器代碼；

2.       創(chuàng)建（頂點(diǎn)/像素）著色器；

3.       對(duì)著色器中的變量進(jìn)行賦值，完成應(yīng)用程序和著色器之間的通信。

4.       把著色器設(shè)定到渲染管道中；

本例使用的著色器是一個(gè)頂點(diǎn)著色器，因此我們將通過頂點(diǎn)著色器的使用來講解著色器的使用過程，像素著色器的使用過程與此大同小異，二者之間僅有些微差別。

1.4.1聲明全局變量

IDirect3DVertexShader9* BasicShader = 0; //頂點(diǎn)著色器指針

ID3DXConstantTable* BasicConstTable = 0; //常量表指針

D3DXHANDLE WVPMatrixHandle          = 0;

D3DXHANDLE ColorHandle              = 0;

ID3DXMesh* Teapot                   = 0; //指向程序中D3D茶壺模型的指針

1.4.2編譯著色器

通過D3DXCompileShaderFromFile函數(shù)從應(yīng)用程序外部的文本文件BasicHLSL.txt中編譯一個(gè)著色器：

//編譯后的著色器代碼將被放在一個(gè)buffer中，可以通過ID3DXBuffer接口對(duì)其進(jìn)行訪問，之后的著色器將從這里創(chuàng)建

       ID3DXBuffer* shaderBuffer      = 0;

       //用于接受錯(cuò)誤信息

       ID3DXBuffer* errorBuffer       = 0;

       //編譯著色器代碼

       D3DXCompileShaderFromFile("BasicHLSL.txt", //著色器代碼文件名

                                                  0,

                                                  0,

                                                  "SetColor", //入口函數(shù)名稱

                                                  "vs_1_1", //頂點(diǎn)著色器版本號(hào)

                                                  D3DXSHADER_DEBUG,// Debug模式編譯      

                                                  &shaderBuffer, //指向編譯后的著色器代碼的指針

                                                  &errorBuffer,

                                                  &BasicConstTable); //常量表指針

1.4.3創(chuàng)建著色器

       應(yīng)用程序通過CreateVertexShader創(chuàng)建一個(gè)頂點(diǎn)著色器，注意使用了上一步得到的shaderBuffer：

       g_pd3dDevice->CreateVertexShader((DWORD*)shaderBuffer->GetBufferPointer(), &BasicShader);

1.4.3對(duì)著色器中的變量進(jìn)行賦值

1.3.4節(jié)說到著色器的全局變量在應(yīng)用程序中賦值而在著色器程序中使用，這是應(yīng)用程序和著色器通信的關(guān)鍵所在，這里就具體說明賦值過程。

著色器中的全局變量在編譯后都被放在一個(gè)叫常量表的結(jié)構(gòu)中，我們可以使用ID3DXConstantTable接口對(duì)其進(jìn)行訪問，參照1.4.1中編譯著色器函數(shù)D3DXCompileShaderFromFile的最后一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)即返回了指向常量表的指針。

對(duì)一個(gè)著色器中變量進(jìn)行賦值的步驟如下：

1.       通過變量名稱得到指向著色器變量的句柄；

還記得在BasicHLSL.x著色器文件中我們聲明的兩個(gè)全局變量嗎：

        matrix WVPMatrix;

vector color;

              我們?cè)趹?yīng)用程序中相應(yīng)的聲明兩個(gè)句柄：

D3DXHANDLE WVPMatrixHandle          = 0;

D3DXHANDLE ColorHandle              = 0;

              然后通過變量名得到分別得到對(duì)應(yīng)的兩個(gè)句柄：

                     WVPMatrixHandle = BasicConstTable->GetConstantByName(0, "WVPMatrix");

                     ColorHandle = BasicConstTable->GetConstantByName(0, "color");

2.       通過句柄對(duì)著色器變量進(jìn)行賦值；

我們可以先設(shè)置各變量為默認(rèn)值：

        BasicConstTable->SetDefaults(g_pd3dDevice);

之后,可以使用ID3DXConstantTable::SetXXX函數(shù)對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行賦值：

HRESULT SetXXX(

 LPDIRECT3DDEVICE9 pDevice,

 D3DXHANDLE hConstant,

 XXX value

);

其中XXX代表變量類型，例如Matrix類型的變量就要使用SetMatrix函數(shù)賦值，而Vector類型的則要使用SetVector來賦值。

1.4.4把著色器設(shè)定到渲染管道中

       這里我們使用SetVertexShader方法把頂點(diǎn)著色器設(shè)定到渲染管道中：

              g_pd3dDevice->SetVertexShader(BasicShader);

1.4.5整個(gè)渲染過程如下

在渲染過程中，我們?cè)O(shè)定頂點(diǎn)的變換坐標(biāo)和顏色值，渲染代碼如下：

    g_pd3dDevice->Clear( 0, NULL, D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,

D3DCOLOR_XRGB(153,153,153), 1.0f, 0 );

    //開始渲染

    g_pd3dDevice->BeginScene();

    //得到世界矩陣、觀察矩陣和投影矩陣

    D3DXMATRIX matWorld, matView, matProj;

    g_pd3dDevice->GetTransform(D3DTS_WORLD, &matWorld);

    g_pd3dDevice->GetTransform(D3DTS_VIEW, &matView);

    g_pd3dDevice->GetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProj);

    D3DXMATRIX matWVP = matWorld * matView * matProj;

    //通過句柄對(duì)著色器中的WVPMatrix變量進(jìn)行賦值

    BasicConstTable->SetMatrix(g_pd3dDevice, WVPMatrixHandle, &matWVP);

    D3DXVECTOR4 color(1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);

    //通過句柄對(duì)著色器中的color變量進(jìn)行賦值，這里我們賦值為黃色

    BasicConstTable->SetVector(g_pd3dDevice, ColorHandle, &color);

    //把頂點(diǎn)著色器設(shè)定到渲染管道中

    g_pd3dDevice->SetVertexShader(BasicShader);

    //繪制模型子集

    Teapot->DrawSubset(0);

    //渲染完畢

    g_pd3dDevice->EndScene();

    g_pd3dDevice->Present(NULL, NULL, NULL, NULL);

       編譯運(yùn)行程序，運(yùn)行效果如圖1.2所示，這里我們將頂點(diǎn)顏色設(shè)置為黃色，如果讀者在渲染過程中不斷變換對(duì)著色器變量color的賦值，你將會(huì)得到一個(gè)色彩不斷變幻的D3D茶壺。

D3DXVECTOR4 color(1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f); //讀者可以嘗試改變顏色值

BasicConstTable->SetVector(g_pd3dDevice, ColorHandle, &color);

圖1.2 著色器效果

posted on 2008-08-04 12:28 狂爛球 閱讀(8565) 評(píng)論(1)  編輯 收藏 引用