頂點(diǎn)著色器(vertex shader)是一個在圖形卡的GPU上執(zhí)行的程序，它替換了固定功能管線(fixed function pipeline)中的變換(transformation)和光照(lighting)階段。(這不是百分之百的正確，因?yàn)轫旤c(diǎn)著色器可以被Direct3D運(yùn)行時(Direct3D runtime)以軟件模擬，如果硬件不支持頂點(diǎn)著色器的話)。圖17.1說明了管線中頂點(diǎn)著色器替換的部件。
從圖17.1，我們知道，頂點(diǎn)以局部坐標(biāo)輸入到頂點(diǎn)著色器，并且必須輸出齊次剪裁空間的有顏色的頂點(diǎn)。(經(jīng)投影矩陣變換頂點(diǎn)后的空間稱作齊次剪裁空間(homogeneous clip space)。因此，要把一個頂點(diǎn)從局部空間變換到齊次坐標(biāo)空間，我們必須應(yīng)用下列變換序列：世界變換(world transformation)，視圖變換(view transformation)和投影變換(projection transformation)，它們分別由世界矩陣，視圖矩陣和投影矩陣來完成。)對于點(diǎn)元(point primitive)，頂點(diǎn)著色器也被用于操作每個頂點(diǎn)的頂點(diǎn)大小。
由于頂點(diǎn)著色器是我們(在HLSL中)寫的一個自定義程序，因此我們在圖形效果方面獲得了極大的自由性。我們不再受限于Direct3D的固定光照算法。此外，應(yīng)用程序操縱頂點(diǎn)位置的能力也有了多樣性，例如：cloth simulation，粒子系統(tǒng)的點(diǎn)大小操縱，還有頂點(diǎn)混合/morphing。此外，我們的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更自由了，并且可以在可編程管線中包含比在固定功能管線中多得多的數(shù)據(jù)。
頂點(diǎn)著色器仍然是相對新的特性，并且許多圖形卡不支持它們，特別是隨DirectX 9發(fā)布的較新版本的頂點(diǎn)著色器。通過檢查D3DCAPS9結(jié)構(gòu)的VertexShaderVersion成員，可以測試頂點(diǎn)著色器的版本。下列代碼段展示了這一點(diǎn)：
以下是引用片段：
// If the device's supported version is less than version 2.0
if( caps.VertexShaderVersion < D3DVS VERSION(2, 0) )
// Then vertex shader version 2.0 is not supported on this device. |
我們看到D3D_VERSION的兩個參數(shù)分別接收主和次版本號。現(xiàn)在，D3DXCompileShaderFromFile函數(shù)支持頂點(diǎn)著色器版本1.1和2.0。
17.1頂點(diǎn)聲明
我們已經(jīng)使用自由頂點(diǎn)格式(flexible vertex format，F(xiàn)VF)來描述頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的各分量。但是，在可編程管線中，頂點(diǎn)數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)比用FVF所能表達(dá)的多很多。因此，我們通常使用更具表達(dá)性并且更強(qiáng)大的頂點(diǎn)聲明(vertex declaration)。注意：如果FVF能夠描述我們的頂點(diǎn)格式我們?nèi)匀豢梢栽诳删幊坦芫€中使用它。不管用何種方法，只是為了方便，同樣FVF會在內(nèi)部被轉(zhuǎn)換為一個頂點(diǎn)聲明。
17.1.1 描述頂點(diǎn)聲明
我們將一個頂點(diǎn)聲明描述為一個D3DVERTEXELEMENT9結(jié)構(gòu)的數(shù)組。D3DVERTEXELEMENT9數(shù)組中的每個成員描述了一個頂點(diǎn)的分量。所以，如果你的頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)有三個分量(例如：位置、法線、顏色)，那么其相應(yīng)的頂點(diǎn)聲明將描述3個D3DVERTEXELEMENT9結(jié)構(gòu)的數(shù)組。這個D3DVERTEXELEMENT9結(jié)構(gòu)定義如下：
以下是引用片段：
typedef struct _D3DVERTEXELEMENT9 {
BYTE Stream;
BYTE Offset;
BYTE Type;
BYTE Method;
BYTE Usage;
BYTE UsageIndex;
} D3DVERTEXELEMENT9; |
Stream——指定與頂點(diǎn)分量相關(guān)聯(lián)的流
ffset——偏移，按字節(jié)，相對于頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)成員的頂點(diǎn)分量的開始。例如，如果頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)是：
以下是引用片段：
struct Vertex
{
D3DXVECTOR3 pos;
D3DXVECTOR3 normal;
}; |
……pos分量的偏移是0，因?yàn)樗堑谝粋€分量;normal分量的偏移是12，因?yàn)閟izeof(pos) = 12。換句話說，normal分量以Vertex的第12個字節(jié)為開始。
Type——指定數(shù)據(jù)類型。它可以是D3DDECLTYPE枚舉類型的任意成員;完整列表請參見文檔。常用類型如下：
D3DDECLTYPE_FLOAT1——浮點(diǎn)數(shù)值
D3DDECLTYPE_FLOAT2——2D浮點(diǎn)向量
D3DDECLTYPE_FLOAT3——3D浮點(diǎn)向量
D3DDECLTYPE_FLOAT4——4D浮點(diǎn)向量
D3DDECLTYPE_D3DCOLOR—D3DCOLOR類型，它擴(kuò)展為RGBA浮點(diǎn)顏色向量(r g b a)，其每一分量都是歸一化到區(qū)間[0, 1]了的。
Method——指定網(wǎng)格化方法。我們認(rèn)為這個參數(shù)是高級的，因此我們使用默認(rèn)值，標(biāo)識為D3DDECLMETHOD_DEFAULT.。
Usage——指定已計劃的對頂點(diǎn)分量的使用。例如，它是否準(zhǔn)備用于一個位置向量、法線向量、紋理坐標(biāo)等?有效的用途標(biāo)識符(usage identifier)是D3DDECLUSAGE枚舉類型的：
以下是引用片段：
typedef enum _D3DDECLUSAGE {
D3DDECLUSAGE_POSITION = 0, // Position.
D3DDECLUSAGE_BLENDWEIGHTS = 1, // Blending weights.
D3DDECLUSAGE_BLENDINDICES = 2, // Blending indices.
D3DDECLUSAGE_NORMAL = 3, // Normal vector.
D3DDECLUSAGE_PSIZE = 4, // Vertex point size.
D3DDECLUSAGE_TEXCOORD = 5, // Texture coordinates.
D3DDECLUSAGE_TANGENT = 6, // Tangent vector.
D3DDECLUSAGE_BINORMAL = 7, // Binormal vector.
D3DDECLUSAGE_TESSFACTOR = 8, // Tessellation factor.
D3DDECLUSAGE_POSITIONT = 9, // Transformed position.
D3DDECLUSAGE_COLOR = 10, // Color.
D3DDECLUSAGE_FOG = 11, // Fog blend value.
D3DDECLUSAGE_DEPTH = 12, // Depth value.
D3DDECLUSAGE_SAMPLE = 13 // Sampler data.
} D3DDECLUSAGE; |
D3DDECLUSAGE_PSIZE類型用于指定一個頂點(diǎn)的大小。它用于點(diǎn)精靈，因此我們可以基于每個頂點(diǎn)控制其大小。一個D3DDECLUSAGE_POSITION成員的頂點(diǎn)聲明意味著這個頂點(diǎn)已經(jīng)被變換，它通知圖形卡不要把這個頂點(diǎn)送到頂點(diǎn)處理階段(變形和光照)。
UsageIndex——用于標(biāo)識多個相同用途的頂點(diǎn)分量。這個用途索引是位于區(qū)間[0, 15]間的一個整數(shù)。例如，假設(shè)我們有三個用途為D3DDECLUSAGE_NORMAL的頂點(diǎn)分量。我們可以為第一個指定用途索引為0，為第二個指定用途索引為1，并且為第三個指定用途索引為2。按這種方式，我們可以通過其用途索引標(biāo)識每個特定的法線。
頂點(diǎn)描述聲明的例子：假設(shè)我們想要描述的頂點(diǎn)格式由位置向量和三個法線向量組成。頂點(diǎn)聲明可以指定如下：
以下是引用片段：
D3DVERTEXELEMENT9 decl[] =
{
{0, 0, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_POSITION, 0},
{0, 12, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_NORMAL, 0},
{0, 24, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_NORMAL, 1},
{0, 36, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_NORMAL, 2},
D3DDECL_END()
}; |
D3DDECL_END宏用于初始化D3DVERTEXELEMENT9數(shù)組的最后一個頂點(diǎn)元素。同樣的，注意法向量的用途索引標(biāo)簽。
17.1.2 創(chuàng)建頂點(diǎn)聲明
一旦你描述了一個頂點(diǎn)聲明為D3DVERTEXELEMENT9數(shù)組，我們就可以使用下面的方法獲得一個IDirect3DVertexDeclaration9接口指針：
以下是引用片段：
HRESULT IDirect3DDevice9::CreateVertexDeclaration(
CONST D3DVERTEXELEMENT9* pVertexElements,
IDirect3DVertexDeclaration9** ppDecl
); |
pVertexElements——D3DVERTEXELEMENT9結(jié)構(gòu)數(shù)組，它描述我們想要創(chuàng)建的頂點(diǎn)聲明。
ppDecl——用于返回創(chuàng)建的IDirect3DVertexDeclaration9接口指針
例子調(diào)用，其中decl是一個D3DVERTEXELEMENT9數(shù)組：
IDirect3DVertexDeclaration9* _decl = 0;
hr = _device->CreateVertexDeclaration(decl, &_decl);
17.1.3 使用一個頂點(diǎn)聲明
回憶一下：自由頂點(diǎn)格式是一個方便的特性并且在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成了頂點(diǎn)聲明。因此，當(dāng)直接使用頂點(diǎn)聲明，我們不再需要調(diào)用：Device->SetFVF( fvf );
相反，我們調(diào)用：Device->SetVertexDeclaration( _decl );
其中，_decl是一個IDirect3DVertexDeclaration9接口指針。
17.2頂點(diǎn)數(shù)據(jù)用途
考慮這個頂點(diǎn)聲明：
以下是引用片段：
D3DVERTEXELEMENT9 decl[] =
{
{0, 0, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_POSITION, 0},
{0, 12, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_NORMAL, 0},
{0, 24, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_NORMAL, 1},
{0, 36, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_NORMAL, 2},
D3DDECL_END()
}; |
我們需要一種方式，來定義一個頂點(diǎn)聲明的元素到頂點(diǎn)著色器的Input結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)成員的映射。我們在Input結(jié)構(gòu)中通過指定每個數(shù)據(jù)成員的語義(: usage-type [usage-index])定義這個映射。語義通過元素的用途類型和用途索引標(biāo)識頂點(diǎn)聲明中的一個元素。由數(shù)據(jù)成員的語義標(biāo)識的頂點(diǎn)元素是得以映射到數(shù)據(jù)成員的元素。例如，對應(yīng)于前面的頂點(diǎn)聲明的輸入結(jié)構(gòu)是：
以下是引用片段：
struct VS_INPUT
{
vector position : POSITION;
vector normal : NORMAL0;
vector faceNormal1 : NORMAL1;
vector faceNormal2 : NORMAL2;
}; |
注意：如果我們遺漏了用途索引，就意味著用途索引為零。例如，POSITION和POSITION0是同一樣?xùn)|西。
這里decl中的元素0，由用途POSITION和用途索引0標(biāo)識，它映射到position。decl中的元素1，由用途NORMAL和用途索引0標(biāo)識，它映射到normal。decl中的元素2，由NORMAL和用途索引1標(biāo)識，它映射到faceNormal1。decl中的元素3，由用途NORMAL和用途索引2標(biāo)識，它映射到faceNormal2。
受支持的頂點(diǎn)著色器輸入用途(input usage)是：
POSITION [n]——位置
BLENDWEIGHTS [n]——混合權(quán)重
BLENDINDICES [n]——混合索引
NORMAL [n]——法線向量
PSIZE[n]——頂點(diǎn)大小
DIFFUSE [n]——散射顏色
SPECULAR [n]——鏡面顏色
TEXCOORD [n]——紋理坐標(biāo)
其中，n是一個位于區(qū)間[0, 15]的可選整數(shù)。
此外，對于輸出結(jié)構(gòu)，我們必須指定每個成員是用來做什么的。例如，數(shù)據(jù)成員應(yīng)該被作為位置向量、顏色、紋理坐標(biāo)等對待嗎?圖形卡沒主意，除非你強(qiáng)制的告訴它。這也需要通過語法的語義來完成：
以下是引用片段：
struct VS_OUTPUT
{
vector position : POSITION;
vector diffuse : COLOR0;
vector specular : COLOR1;
}; |
受支持的頂點(diǎn)著色器輸出用途是：
POSITION—位置
PSIZE—頂點(diǎn)大小
FOG—霧混合值
COLOR [n]—頂點(diǎn)顏色。注意：可以有多個頂點(diǎn)顏色被輸出，并且這些顏色可以被混合在一起以產(chǎn)生最終的顏色。
TEXCOORD [n]—頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)。注意：多個頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)可以被輸出。
其中，n是一個位于區(qū)間[0, 15]的可選整數(shù)。
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