頂點著色器(vertex shader)是一個在圖形卡的GPU上執行的程序，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，因為頂點著色器可以被Direct3D運行時(Direct3D runtime)以軟件模擬，如果硬件不支持頂點著色器的話)。圖17.1說明了管線中頂點著色器替換的部件。
從圖17.1，我們知道，頂點以局部坐標輸入到頂點著色器，并且必須輸出齊次剪裁空間的有顏色的頂點。(經投影矩陣變換頂點后的空間稱作齊次剪裁空間(homogeneous clip space)。因此，要把一個頂點從局部空間變換到齊次坐標空間，我們必須應用下列變換序列：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。)對于點元(point primitive)，頂點著色器也被用于操作每個頂點的頂點大小。
由于頂點著色器是我們(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，應用程序操縱頂點位置的能力也有了多樣性，例如：cloth simulation，粒子系統的點大小操縱，還有頂點混合/morphing。此外，我們的頂點數據結構更自由了，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據。
頂點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發布的較新版本的頂點著色器。通過檢查D3DCAPS9結構的VertexShaderVersion成員，可以測試頂點著色器的版本。下列代碼段展示了這一點：
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的兩個參數分別接收主和次版本號。現在，D3DXCompileShaderFromFile函數支持頂點著色器版本1.1和2.0。
17.1頂點聲明
我們已經使用自由頂點格式(flexible vertex format，FVF)來描述頂點結構中的各分量。但是，在可編程管線中，頂點數據包含的數據比用FVF所能表達的多很多。因此，我們通常使用更具表達性并且更強大的頂點聲明(vertex declaration)。注意：如果FVF能夠描述我們的頂點格式我們仍然可以在可編程管線中使用它。不管用何種方法，只是為了方便，同樣FVF會在內部被轉換為一個頂點聲明。
17.1.1 描述頂點聲明
我們將一個頂點聲明描述為一個D3DVERTEXELEMENT9結構的數組。D3DVERTEXELEMENT9數組中的每個成員描述了一個頂點的分量。所以，如果你的頂點結構有三個分量(例如：位置、法線、顏色)，那么其相應的頂點聲明將描述3個D3DVERTEXELEMENT9結構的數組。這個D3DVERTEXELEMENT9結構定義如下：
以下是引用片段：
typedef struct _D3DVERTEXELEMENT9 {
BYTE Stream;
BYTE Offset;
BYTE Type;
BYTE Method;
BYTE Usage;
BYTE UsageIndex;
} D3DVERTEXELEMENT9; |
Stream——指定與頂點分量相關聯的流
ffset——偏移，按字節，相對于頂點結構成員的頂點分量的開始。例如，如果頂點結構是：
以下是引用片段：
struct Vertex
{
D3DXVECTOR3 pos;
D3DXVECTOR3 normal;
}; |
……pos分量的偏移是0，因為它是第一個分量;normal分量的偏移是12，因為sizeof(pos) = 12。換句話說，normal分量以Vertex的第12個字節為開始。
Type——指定數據類型。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——浮點數值
D3DDECLTYPE_FLOAT2——2D浮點向量
D3DDECLTYPE_FLOAT3——3D浮點向量
D3DDECLTYPE_FLOAT4——4D浮點向量
D3DDECLTYPE_D3DCOLOR—D3DCOLOR類型，它擴展為RGBA浮點顏色向量(r g b a)，其每一分量都是歸一化到區間[0, 1]了的。
Method——指定網格化方法。我們認為這個參數是高級的，因此我們使用默認值，標識為D3DDECLMETHOD_DEFAULT.。
Usage——指定已計劃的對頂點分量的使用。例如，它是否準備用于一個位置向量、法線向量、紋理坐標等?有效的用途標識符(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的大小。它用于點精靈，因此我們可以基于每個頂點控制其大小。一個D3DDECLUSAGE_POSITION成員的頂點聲明意味著這個頂點已經被變換，它通知圖形卡不要把這個頂點送到頂點處理階段(變形和光照)。
UsageIndex——用于標識多個相同用途的頂點分量。這個用途索引是位于區間[0, 15]間的一個整數。例如，假設我們有三個用途為D3DDECLUSAGE_NORMAL的頂點分量。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識每個特定的法線。
頂點描述聲明的例子：假設我們想要描述的頂點格式由位置向量和三個法線向量組成。頂點聲明可以指定如下：
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數組的最后一個頂點元素。同樣的，注意法向量的用途索引標簽。
17.1.2 創建頂點聲明
一旦你描述了一個頂點聲明為D3DVERTEXELEMENT9數組，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結構數組，它描述我們想要創建的頂點聲明。
ppDecl——用于返回創建的IDirect3DVertexDeclaration9接口指針
例子調用，其中decl是一個D3DVERTEXELEMENT9數組：
IDirect3DVertexDeclaration9* _decl = 0;
hr = _device->CreateVertexDeclaration(decl, &_decl);
17.1.3 使用一個頂點聲明
回憶一下：自由頂點格式是一個方便的特性并且在內部轉換成了頂點聲明。因此，當直接使用頂點聲明，我們不再需要調用：Device->SetFVF( fvf );
相反，我們調用：Device->SetVertexDeclaration( _decl );
其中，_decl是一個IDirect3DVertexDeclaration9接口指針。
17.2頂點數據用途
考慮這個頂點聲明：
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，來定義一個頂點聲明的元素到頂點著色器的Input結構的數據成員的映射。我們在Input結構中通過指定每個數據成員的語義(: 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識頂點聲明中的一個元素。由數據成員的語義標識的頂點元素是得以映射到數據成員的元素。例如，對應于前面的頂點聲明的輸入結構是：
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是同一樣東西。
這里decl中的元素0，由用途POSITION和用途索引0標識，它映射到position。decl中的元素1，由用途NORMAL和用途索引0標識，它映射到normal。decl中的元素2，由NORMAL和用途索引1標識，它映射到faceNormal1。decl中的元素3，由用途NORMAL和用途索引2標識，它映射到faceNormal2。
受支持的頂點著色器輸入用途(input usage)是：
POSITION [n]——位置
BLENDWEIGHTS [n]——混合權重
BLENDINDICES [n]——混合索引
NORMAL [n]——法線向量
PSIZE[n]——頂點大小
DIFFUSE [n]——散射顏色
SPECULAR [n]——鏡面顏色
TEXCOORD [n]——紋理坐標
其中，n是一個位于區間[0, 15]的可選整數。
此外，對于輸出結構，我們必須指定每個成員是用來做什么的。例如，數據成員應該被作為位置向量、顏色、紋理坐標等對待嗎?圖形卡沒主意，除非你強制的告訴它。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;
}; |
受支持的頂點著色器輸出用途是：
POSITION—位置
PSIZE—頂點大小
FOG—霧混合值
COLOR [n]—頂點顏色。注意：可以有多個頂點顏色被輸出，并且這些顏色可以被混合在一起以產生最終的顏色。
TEXCOORD [n]—頂點紋理坐標。注意：多個頂點紋理坐標可以被輸出。
其中，n是一個位于區間[0, 15]的可選整數。
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