引言：

GameBryo擁有一套復雜的材質系統，這套材質系統可以根據渲染對象的狀態和屬性生成不同的shader代碼，提高了渲染流程的適應性，可以使你定義一套材質能適應多種渲染對象。同時，GameByro將shader的初始化和使用插件化，方便與美術工具集成，并且實現了平臺無關性。為了實現這些目的，GameByro使用了一套復雜的機制，本文主要解析GameByro如何生成、編譯并使用shader代碼。

Shader

GameBryo的shader的接口封裝在NiShader中，頂點數據流聲明，常量表的訪問，渲染狀態的設置都是通過這個類（有點類似于D3Deffect）。在程序運行NiShader是由NiShaderFactory負責管理的，NiShaderFactory通過NiShaderLibrary從文件中創建shader，用全局性的map管理起來。NiShaderLibrary通過解析shader文本創建NiShader對象，并調用3D圖形接口編譯shader代碼，將這個類以dll的形式封裝，就可以作為插件來使用。NiShader類的創建可以通過解析文件來進行，也可以通過C++的類來定制，只需從NiShader上繼承即可。GameByro為PC平臺提供了一個NiD3DXEffectShaderLib庫，這個庫提供了解析shader文件和初始化shader對象的功能。用戶只需按GameByro定義的格式編寫shader代碼的語意和注釋，NiD3DXEffectShaderLibrary就會根據文本來創建NiD3Dshader對象，在應用程序中就可以通過Techinqe的名稱來訪問這個對象。通過這種機制，我們將shader文本文件放在相關美術工具指定的目錄下，在工具中就可以使用這些shader，并且能夠通過shader的語意和注釋為相關參數和變量生成UI，方便美術調試。

WIN平臺上的整個流程如下：

1. 應用程序在啟動時會先初始化整個shader系統，接下來導入Shader解析庫和加載庫（dll的形式）。

2. 接下來應用程序將NiD3DShader的初始化工作委托給NiShaderLibrary來處理，NiShaderLibrary首先通過NiD3DXEffectLoader載入所有的shader文本文件，并通過NiD3DXEffectParser解析文本生成NiD3DXEffectFile對象，同時NiD3DXEffectLoader還負責將shader代碼編譯成二進制形式的GPU程序。

3. 最后由NiD3DXEffectTechnique負責通過NiD3DXEffectFile上的信息生成NiD3Dshader對象。

4. 所有的shader對象創建后，NiShaderLibrary的初始化就結束了，最后由NiShaderFactory負責統一管理。

材質：

NiMaterial為渲染對象生成和定義Shader,NiMaterialInstance為渲染對象分配 和Cach Shader。NiFragmentMaterial提供了一個Shader Tree框架，在它的繼承類中可以使用這個框架搭建shader tree。這個機制允許NiFragmentMaterial根據對象不同的渲染狀態生成不同的shader代碼，Cach在內存中，并保存到磁盤文件。GameByro描述符的概念大量使用，包括前面提到的Shader解析過程也是通過描述符來傳遞信息。在材質系統中主要使用了NiMaterialDescriptor和NiGPUProgramDescriptor這個兩個類做描述符，這兩個類中保存的信息是兼容的，都是為了描述某種材質在渲染對象的某一特定渲染狀態下所對應的GPU程序的特征。NiFragmentMaterial通過渲染目標的狀態和屬性生成NiMaterialDescriptor，并通過NiMaterialDescriptor查找匹配的shader，如果找不到，則通過shader tree生成相應的shader程序，并保存到磁盤文件中。當下一次應用程序啟動時就可以通過這個文件直接創建NiShader對象。可以說通過NiFragmentMaterial生成的shader代碼是為特定的渲染對象在特定的情況下量身打造的。

整個過程的詳細流程如下：

1. 在每次渲染一個物體之前，NiMaterialInstance會先判斷這個物體的shader程序是否需要更新，如果不需要更新，就直接返回當前Cach的NiShader；如果需要更新， NiMaterialInstance首先會根據物體的渲染狀態為其生成一個NiMaterialDescriptor，然后將這個NiMaterialDescriptor和當前Cach住的NiShader進行比較，如果匹配仍然返回當前Cach的NiShader，如果不匹配，將獲得shader的工作轉交給NiMaterial進行。

2. NiMaterial首先通過這個NiShaderFactory 查詢匹配這個NiMaterialDescriptor的NiShader，如果找不到，就通過NiMaterialDescriptor生成NiShader，同時生成一段Shader代碼，并保存到以shader描述符中的特征碼來命名對應的shader文件。

3. 當獲得相應的NiShader對象后，NiMaterialInstance會調用NiShader的SetupGeometry接口，在這個接口中會進行頂點聲明。

以下是NiMaterialInstance為Geometry選擇shader的代碼：

NiShader* NiMaterialInstance::GetCurrentShader(NiRenderObject* pkGeometry,

const NiPropertyState* pkState,

const NiDynamicEffectState* pkEffects)

{

if (m_spMaterial)

{

bool bGetNewShader = m_eNeedsUpdate == DIRTY;

if (m_eNeedsUpdate == UNKNOWN)

bGetNewShader = pkGeometry->GetMaterialNeedsUpdateDefault();

// Check if shader is still current

if (bGetNewShader && m_spCachedShader)

{

bGetNewShader = !m_spMaterial->IsShaderCurrent(m_spCachedShader,

pkGeometry, pkState, pkEffects, m_uiMaterialExtraData);

}

// Get a new shader

if (bGetNewShader)

{

NiShader* pkNewShader = m_spMaterial->GetCurrentShader(

pkGeometry, pkState, pkEffects, m_uiMaterialExtraData);

if (pkNewShader)

{

NIASSERT(m_spCachedShader != pkNewShader);

ClearCachedShader();

m_spCachedShader = pkNewShader;

if (!pkNewShader->SetupGeometry(pkGeometry, this))

ClearCachedShader();

}

else

{

ClearCachedShader();

}

}

m_eNeedsUpdate = UNKNOWN;

}

return m_spCachedShader;

}

如果想通過NiFragmentMaterial實現自己的shader tree就需要在NiFragmentMaterial提供的接口中實現自己拼裝代碼的邏輯，代碼塊由NiMaterialLibraryNode封裝，NiMaterialLibraryNode既可以直接寫C++代碼來定義，也可以先寫成XML腳本，再由專門的解析工具轉換成C++代碼。

由NiStandardMaterial生成的shader代碼文件如下圖所示：

文件名就是NiMaterialDescriptor的掩碼，用來標識的shader代碼的行為。

Shader代碼的行為描述如下：

Shader description:

APPLYMODE = 1

WORLDPOSITION = 0

WORLDNORMAL = 0

WORLDNBT = 0

WORLDVIEW = 0

NORMALMAPTYPE = 0

PARALLAXMAPCOUNT = 0

BASEMAPCOUNT = 1

NORMALMAPCOUNT = 0

DARKMAPCOUNT = 0

DETAILMAPCOUNT = 0

BUMPMAPCOUNT = 0

GLOSSMAPCOUNT = 0

GLOWMAPCOUNT = 0

CUSTOMMAP00COUNT = 0

CUSTOMMAP01COUNT = 0

CUSTOMMAP02COUNT = 0

CUSTOMMAP03COUNT = 0

CUSTOMMAP04COUNT = 0

DECALMAPCOUNT = 0

FOGENABLED = 0

ENVMAPTYPE = 0

PROJLIGHTMAPCOUNT = 0

PROJLIGHTMAPTYPES = 0

PROJLIGHTMAPCLIPPED = 0

PROJSHADOWMAPCOUNT = 0

PROJSHADOWMAPTYPES = 0

PROJSHADOWMAPCLIPPED = 0

PERVERTEXLIGHTING = 1

UVSETFORMAP00 = 0

UVSETFORMAP01 = 0

UVSETFORMAP02 = 0

UVSETFORMAP03 = 0

UVSETFORMAP04 = 0

UVSETFORMAP05 = 0

UVSETFORMAP06 = 0

UVSETFORMAP07 = 0

UVSETFORMAP08 = 0

UVSETFORMAP09 = 0

UVSETFORMAP10 = 0

UVSETFORMAP11 = 0

POINTLIGHTCOUNT = 0

SPOTLIGHTCOUNT = 0

DIRLIGHTCOUNT = 0

SHADOWMAPFORLIGHT = 0

SPECULAR = 1

AMBDIFFEMISSIVE = 0

LIGHTINGMODE = 1

APPLYAMBIENT = 0

BASEMAPALPHAONLY = 0

APPLYEMISSIVE = 0

SHADOWTECHNIQUE = 0

ALPHATEST = 0

NiStanderMaterial就是根據這些掩碼的數據來生成shader代碼，用戶可以通過重載GenerateVertexShadeTree、GeneratePixelShadeTree、CreateShader這些接口來定義自己的shader生成規則。

增加自己的渲染效果：

通過前幾節我們可以了解到，想定義自己的材質，一是通過編寫shader代碼完成。在應用程序初始化的時候，這些shader代碼會被初始化成NiShader對象，進一步的通過NiShader對象來初始化NiSingleShaderMaterial對象，并分配給渲染對象。在GameByro默認的渲染流程中，這些步驟都是自動進行的，美術只需在3DMAX插件中為幾何體的材質指定Shader程序，導出到nif文件，應用程序就能正確加載并渲染；二是定義自己的NiMaterialFragment類，在類中定義如何生成shader，在應用程序運行時只要將這個類的實例指派給幾何體，這個類就會自動為幾何體生成shader。這兩種方式對于美術人員來說，主要區別在于，采用第一種方法定義的材質，其渲染數據的設置必須嚴格符合shader代碼中所需的數據，否則就會報錯。（比如說，頂點數據流必須嚴格符合shader程序的定義，必須為shader中每個采樣器提供格式正確的紋理）；而采用第二種方法定義的材質，就有很高的容錯和適應性，但是這種容錯性和適應性需要自己寫代碼來完成，GameByro提供的NiStanderMaterial就提供了這套完整的機制。每個貼圖槽內的貼圖如果你設置就會生成相應的貼圖處理流程，如果不設置，就沒有這張貼圖的處理流程。

為了驗證這個過程，筆者嘗試增加了一個自己的shader特效——SubSurfaceScattering，簡稱3s，其原理是模擬光在半透明物體中散射的效果。由于該效果無須預處理過程，所有的貼圖均來自磁盤文件，所以比較容易融合到GameByro工作流中。

筆者將在FX COMPOSER中調試通過的fx文件放入SDK中的SDK\Win32\Shaders\Data目錄下，在3DMAX的材質面板選擇GameByroShader，然后就可在顯示shader的組合框中看到文件中定義的Techinqe，選擇點擊apply按鈕，就會出現自定義的參數調整界面。

通過調整參數，最終得到皮膚和玉器的渲染效果如下：

皮膚

玉器

總結

GameByro的這套開發流程非常方便直觀，但是美術僅能為shader程序分配靜態的數據源，比如說光照圖等，CubeMap等；而一些在程序中實時生成的紋理數據則無法整合到美術工具中，比如說陰影圖、折射圖、反射圖等，這些都需要程序寫代碼來實現。調試起來就不大方便了。大部分情況下，我們只需要使用GameByro提供的NiStanderMaterial就可以完成大部分材質的需求，特殊的效果可以自己寫shader或者通過引擎提供的shader庫來完成，只有當我們需要即根據復雜的情況做很多不同的處理時，我們才需要重載NiFragmentMaterial搭建自己的shader tree。不過搭建shader tree的程序一般比較復雜，編寫難度大，雖然引擎允許通過XML文件來編寫材質節點，但是使用起來仍然不方便。GameByro并沒有提供相關的后期處理的開發工具，后期處理的特效并不能所見即所得，這方面還需完善。

GameByro為幾何體在特定的環境下生成專用的shader代碼，具有一定的靈活性，但是也付出了以下代價：

l 分析幾何體的屬性和當前狀態，為其生成shader代碼的過程有性能損耗。

l Shader代碼生成后會保存到磁盤文件中，這個過程如果不使用異步，可能會引起阻塞。

l 生成的NiShader對象會有內存消耗。由于GameByro默認的實現是將所有的shader文件初始化成NiShader對象，所以當游戲運行的時間久了以后會生成大量的shader文件，這時候內存的消耗可能會很可觀，同時加載的時間也會增加。不過可以自己控制加載的流程，在這里進行性能優化。

作者：葉起漣漪