上一章里，我們詳細(xì)討論了HLSL著色語言的各方面。但并沒有實(shí)際展示如何編寫shader。雖然本書不是關(guān)于如何編寫shader的，但還是有必要編寫幾個(gè)簡單的shader，幫你深入了解HLSL。此外，在學(xué)習(xí)effect framework時(shí)，我們還會用到這些例子來闡述一些核心概念。
記住，對創(chuàng)建一個(gè)完整的shader來說，不僅僅是編寫shader代碼，還包括用適當(dāng)?shù)恼Z義符設(shè)置一系列渲染狀態(tài)和變量。當(dāng)然，由于目前你還缺乏編寫完整shader的一些知識，所以，這里只討論前者:也就是頂點(diǎn)和像素著色程序代碼。本書的后面會對這些代碼進(jìn)行擴(kuò)展。
最簡單的Shader
對于把物體渲染到屏幕上來說，有幾個(gè)基本的步驟是必須完成的。首先，需要接收輸入頂點(diǎn)的位置（頂點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的位置）并把它們轉(zhuǎn)變?yōu)槠聊蛔鴺?biāo)。通常使用world-view-projection矩陣來完成這個(gè)任務(wù)，它包含了把頂點(diǎn)從局部坐標(biāo)映射為最終屏幕坐標(biāo)的所有信息。現(xiàn)在開始，我們假設(shè)已經(jīng)有這樣一個(gè)矩陣變量，并且名稱為view_proj_matrix。
先來定義一個(gè)把數(shù)據(jù)從頂點(diǎn)著色器傳遞給像素著色器的結(jié)構(gòu)。我們把這個(gè)結(jié)構(gòu)稱為VS_OUTPUT,當(dāng)然，也可以是任何你喜歡的名字。目前，只需要把頂點(diǎn)位置數(shù)據(jù)添加到這個(gè)結(jié)構(gòu)中。
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos: POSITION;
};
你應(yīng)該注意到我們把POSITION語義連接到了Pos變量上，它將告訴effect系統(tǒng)如何把這個(gè)變量傳遞到像素著色器中。我會在下一章講解語義。現(xiàn)在只差頂點(diǎn)著色器代碼了。頂點(diǎn)著色器接收頂點(diǎn)位置，并使用view_proj_matrix矩陣對它進(jìn)行變換，可以用內(nèi)建的mul函數(shù)來完成這一步計(jì)算。我們把頂點(diǎn)著色器代碼放到一個(gè)名為vs_main的函數(shù)中：
VS_OUTPUT vs_main ( float4 inPos : POSITION)
{
VS_OUTPUT Out;
// output a transformed and projected vertex position
Out.Pos = mul ( view_proj_matrix , inPos);
return Out;
}
這里同樣使用了POSITION語義修飾輸入?yún)?shù)inPos。它將告訴頂點(diǎn)著色器把幾何體數(shù)據(jù)流信息映射為這個(gè)參數(shù)的輸入值。接下來進(jìn)入完成這個(gè)簡單shader的第二步。現(xiàn)在你知道了頂點(diǎn)在屏幕上的位置，可以定義頂點(diǎn)的顏色了。最簡單的方法就是把所有頂點(diǎn)的顏色都設(shè)置為一個(gè)常量。通常像素著色器將返回一個(gè)float4類型的值來表示當(dāng)前像素在屏幕上的顏色值，float4分量分別表示紅色，綠色，藍(lán)色和alpha值。我們把像素著色器代碼放到一個(gè)名為ps_main的函數(shù)中：
float4 ps_main ( void ) : COLOR
{
//Output constant color
float4 Color;
color[0] = color[3] = 1.0; // red and alpha on
color[1] = color[2] = 0.0;// Green and Blue off
return color;
}
這幾乎是最簡單的代碼了，注意我們用COLOR語義修飾了函數(shù)的返回值，它將告訴編譯器把函數(shù)返回值作為當(dāng)前像素的顏色值。
著色
我們已經(jīng)有渲染物體所需的最基本代碼了，如何把紋理映射到幾何體上，讓物體看起來更加真實(shí)呢？對于需要使用紋理的shader來說，需要有一個(gè)sampler類型的全局變量。在后面的章節(jié)中，我會教你如何使用語義和effect framework來設(shè)置紋理狀態(tài)。目前我們假設(shè)已經(jīng)設(shè)置了好了紋理狀態(tài)：
sampler Texture0;
使用紋理之前，還需要知道知道對紋理的哪一部份進(jìn)行采樣映射，因此，每個(gè)像素都必須有相應(yīng)的紋理坐標(biāo)。一般情況下，紋理坐標(biāo)將作為幾何體信息的一部分輸入到頂點(diǎn)著色器中，經(jīng)由頂點(diǎn)著色器計(jì)算處理之后，傳入到像素著色器中。通常使用TEXCOORDx語義來修飾作為參數(shù)傳遞的紋理坐標(biāo)。這個(gè)語義將會告訴硬件如何在頂點(diǎn)和像素著色器之間交換數(shù)據(jù)。以下是修改之后的頂點(diǎn)著色器代碼:
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos : POSITION;
float2 Txr1: TEXCOORD0;
}
VS_OUTPUT vs_main(
float4 inPos : POSITION;
float2 Txr1 : TEXCOORD0)
{
VS_OUTPUT Out;
//Output our transformed and projected vertex position and texture coordinate
Out.Pos = mul ( view_proj_matrix, inPos);
Out.Txr1 = Txr1;
returen Out;
}
像素著色器也同樣簡單。在創(chuàng)建了sampler變量之后，可以使用HLSL的內(nèi)建函數(shù)tex2D來對紋理進(jìn)行采樣，代碼如下：
sampler Texture0;
float4 ps_main(
float4 inDiffuse : COLOR0,
float2 inTxr1 : TEXCOORD0) : COLOR0
{
//Output the color taken from our texture
return tex2D ( Texture0, inTxr1);
}
添加光照
雖然添加了紋理的對象看起來不錯(cuò)，但顯然還不夠真實(shí)。在增加場景真實(shí)度的過程中，很重要的一步就是為對象添加光照。真實(shí)世界中，從太陽到燈泡，充滿了各種光。沒有了光線，就什么都看不到了。
雖然光照本身是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的主題，但在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域中，光通常被簡化為幾種基本類型：
l 環(huán)境光（Ambient lighting）：場景中所有光源經(jīng)過多次放射和折射之后，對場景總亮度貢獻(xiàn)的近似模擬。通常用它來減少場景中所需光源的數(shù)量，模擬出多光源下的照明效果。環(huán)境光通常是一個(gè)常量，對所有物體的作用效果都一樣。
l 漫反射光（Diffuse lighting）：材質(zhì)的微觀粗糙表面將導(dǎo)致在有所方向上均勻的反射入射光線。在任何角度接收到的反射光線強(qiáng)度都是相同的。
l 鏡面高光（ Specular lighting）：當(dāng)材質(zhì)表面相當(dāng)光滑，粗糙度很低時(shí)，將以一種非均勻的方式反射光線。對鏡面高光來說，光線強(qiáng)度不但與入射光角度有關(guān)，和觀察者的角度也有關(guān)。
除了知道光線如何影響物體之外，你還需要如何對光源本身分類。雖然光總是由某個(gè)表面發(fā)出，比如太陽或燈泡表面，但你也可以把它們看作來自某個(gè)方向或某個(gè)點(diǎn)。
光照技術(shù)中，方向光是最簡單的類型。它們沒有位置信息，并且假設(shè)所有光線之間都是平行的，指向同一個(gè)方向。哪一種光源是這樣的呢？現(xiàn)實(shí)中并沒有這樣的光源。方向光是假設(shè)光源離物體無限遠(yuǎn)時(shí)，照射到物體上的光線將近似于平行而得出的。
方向光最好的例子就是陽光。如果把太陽看作一個(gè)離地球上億千米的點(diǎn)光源，那么當(dāng)陽光到達(dá)地球表面時(shí)已經(jīng)近似于平行了，完全可以看作是方向光。
此外沒有位置信息表示方向光不隨距離而衰減。對方向光來說，要考慮的因素只有兩個(gè)：方向和光的顏色。看到這里你可能會問光線是如何影響物體表面的。如圖所示，光線照射到物體表面的強(qiáng)度只與入射光線和表面法線的角度有關(guān)。
知道了這些基礎(chǔ)知識，就可以用入射光的方向矢量和表面法線的點(diǎn)積以及燈光的顏色因子計(jì)算出物體表面上任意一點(diǎn)的光照強(qiáng)度和顏色。這讓我們得出了以下代碼：
Color = Light_Color * saturate ( dot ( Light_Direction, inNormal ) );
注意在上面的代碼中我們使用了saturate函數(shù)。它保證對于背對光線的面來說，獲得的光照強(qiáng)度不會為負(fù)值。當(dāng)然，你也可以使用clamp函數(shù)，但是對于把值限制在0到1之間來說，saturate函數(shù)要更加高效。
一般來說，場景中大多數(shù)的光都來自于燈泡，火炬或類似的光源。仔細(xì)觀察一下這類光源，它們通常由一個(gè)很小的有限點(diǎn)發(fā)出，并且位于場景中的某個(gè)特定位置。簡化一下，你可以把這些光源都看作場景中的一個(gè)點(diǎn)，這就是點(diǎn)光源。
對這類光源來說，光線呈放射狀發(fā)出。這意味著只要物體和光源的距離相等，那么無論在哪個(gè)方向，所受到的影響都相同。由于表面的光照強(qiáng)度與光線和物體表面法線之間的關(guān)系有關(guān)，因此我們所要做的第一步就是計(jì)算出光線的方向。顯然，對于表面上的任意點(diǎn)來說，光線方向就等于從當(dāng)前點(diǎn)的位置指向光源位置的矢量。對點(diǎn)光源來說，隨角度的衰減值如下：
//compute the normalized light direction vector and use it to determine the angular light attenuation
float3 Light_Direction = normal ( inPos – Light_Position);
float AngleAttn = saturate ( dot ( inNormal, Light_Direction) );
此外對于點(diǎn)光源來說，還需要考慮它在距離上的衰減。自然，需要計(jì)算光源到當(dāng)前點(diǎn)的距離，使用如下代碼：
float Distance = length ( inPos – Light_Position);
通常情況下，點(diǎn)光源的衰減因子隨距離的平方成反比。但是為了獲得很多的可控性，可以調(diào)整公式，讓衰減和距離的二次多項(xiàng)式成反比，代碼如下：
//compute distance based attenuation. this is defined as
// attenuatin = 1 / ( a + b*distance + c * disctance * distance)
float DistAttn = saturate( 1 / ( LightAttenuation.x + LightAttenuation.y * Dist +
LightAttenuation.z * Dist));
現(xiàn)在把前面的代碼集成到頂點(diǎn)著色器中吧：
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos: POSITION;
float2 TexCoord: TEXCOORD0;
float2 Color: COLOR0;
};
float4 Light_PointDiffuse( float3 VertPos, float3 VertNorm, float3 LightPos, float4 LightColor,
float4 LightAttenuation)
{
//determine the distance from the light o the vertex and the direction
float3 LightDir = LightPos – VertPos;
float Dist = length(LightDir);
LightDir = LightDir / Dist;
//Compute distance based attenuation.
float DistAttn = saturate( 1 / ( LightAttenuation.x + LightAttenuation.y * Dist +
LightAttenuation.y * Dist*Dist));
//comopute angle based attenuation
float AngleAttn = saturate ( dot (VertNorm, LightDir));
// Computer the final lighting
return LightColor * DistAttn * AngleAttn;
}
VS_OUTPUT vs_main( float4 inPos: POSITION,
float3 inNormal: NORMAL,
float2 inTxr : TEXCOORD0)
{
VS_OUTPUT Out;
Out.Pos = mul ( view_proj_matrix, inPos);
Out.TexCoord = inTxr;
float4 Color = Light_PointDiffuse ( inPos, inNormal, Light_Position, Light1_Color, Light_Attenuation)
Out.Color = Color;
return Our;
}
我把計(jì)算點(diǎn)光源光照的代碼單獨(dú)放到了Light_PointDiffuse函數(shù)中，因此，當(dāng)場景中有多個(gè)點(diǎn)光源時(shí)，你可以復(fù)用這段代碼。當(dāng)然，我們在后面的章節(jié)會有這樣的例子。