Урок 9. Шейдеры в Direct3D10

В этом уроке вы узнаете: какая архитектура шейдеров; какую роль выполняют шейдеры в DirectX приложении; что такое язык HLSLи для чего он предназначен, ознакомитесь со базовыми принципами программирования HLSL.

Шейдеры

Из предыдущих уроков вы уже знакомы с шейдерами и применяли их практически. В данном уроке мы не будем использовать их как дополнение к приложению, а взглянем на сами шейдеры и на их код.

Сейчас шейдеры являются ключевым аспектом DirectXприложения. Фактически, трудно что-нибудь сделать без их использования. Вся графика игр, многочисленные спецэффекты, и тот реализм, который на сегодняшний день достигла графическая часть игр – это всё получилось благодаря использованию шейдеров. Взглянем лишь на некоторые примеры использования шейдеров:

• Обычное применение: матрицы камеры и освещениями в вершинномшейдере, текстуры и определение текущего цвета пикселя в пиксельном шейдере
• Композиции из нескольких текстур, использования глубоких текстур, для тонкой детализации ландшафта и моделей
• Эффекты освещения и теней
• Системы частиц – туман, задымление а также различные виды вспышек

На самом деле, данный список можно продолжать, кажется бесконечно. Существует слишком много примеров применения шейдеров, чтобы даже их просто перечислить. Запустите любую новую игру и существующий список применения шейдеров может быть пополнен несколькими, а то и десятками новых применений шейдеров.

Особенности компиляции и загрузки шейдера

Хотя шейдер является очень низкоуровневой структурой – он должен выполняться очень быстро, но вы можете его писать на языке, подобном C++, этот язык называется HLSL. Это потому, что шейдер на ходу компилируется в машинный код видеоускорителя. Кроме того, не нужен специальный компилятор. Язык HLSLявляется стандартным и его компиляция осуществляется на ходу любой 3dсистемой, например DirectXили OpenGL. Таким образом, вы просто указываете на исходный файл формата .fxи он автоматически загружается, компилируется и выполняется непосредственно в вашем 3dприложении.

Язык HLSL

Взглянем на пример шейдера с точки зрения программирования. Посмотрим на типичный код шейдера:

//------------------------------------------------------------------------------------
// Constant Buffer Variables
//------------------------------------------------------------------------------------
Texture2D g_txDiffuse;
SamplerState samLinear
{
    Filter = MIN_MAG_MIP_LINEAR;
    AddressU = Wrap;
    AddressV = Wrap;
};
 
struct VS_INPUT
{
    float3 Pos          : POSITION;         //position
    float3 Norm         : NORMAL;           //normal
    float2 Tex          : TEXCOORD0;        //texture coordinate
};
 
struct PS_INPUT
{
    float4 Pos          : SV_POSITION;
    float3 Norm         : TEXCOORD0;
    float2 Tex          : TEXCOORD1;
};
 
//------------------------------------------------------------------------------------
// Vertex Shader
//------------------------------------------------------------------------------------
PS_INPUT VS( VS_INPUT input )
{
    PS_INPUT output = (PS_INPUT)0;
    output.Pos = mul( float4(input.Pos,1), World );
    output.Pos = mul( output.Pos, View );
    output.Pos = mul( output.Pos, Projection );
    output.Norm = mul( input.Norm, World );
    output.Tex = input.Tex;
 
    return output;
}
 
//------------------------------------------------------------------------------------
// Pixel Shader
//------------------------------------------------------------------------------------
float4 PS( PS_INPUT input) : SV_Target
{
    //calculate lighting assuming light color is <1,1,1,1>
    float fLighting = saturate( dot( input.Norm, vLightDir ) );
    float4 outputColor = g_txDiffuse.Sample( samLinear, input.Tex ) * fLighting;
    outputColor.a = 1;
    return outputColor;
}
 
//------------------------------------------------------------------------------------
// Technique
//------------------------------------------------------------------------------------
technique10 Render
{
    pass P0
    {
        SetVertexShader( CompileShader( vs_4_0, VS() ) );
        SetGeometryShader( NULL );
        SetPixelShader( CompileShader( ps_4_0, PS() ) );
    }
}

Вы видите, что весь код шейдера может быть разбит на четыре ключевых раздела. Это: объявления глобальных переменных – констант шейдера, код вершинного буфера, код пиксельного буфера, и наконец, описание техники. В дальнейших разделах мы поэтапно рассмотрим структуру языка HLSL.

Типы данных HLSL

В каждом языке существуют различные встроенные типы данных. В языке HLSLтипы данных носят некоторый математический оттенок, то есть в нем много типов данных наподобие векторов и матриц. Итак, таблица типов данных HLSL:

Рассмотрим эти типы данных. Тип данных Scalar определяет скалярную величину и может быть одним из следующих:

bool
int
uint
half
float
double

Тип данных Vectorи Matrixобозначается добавлением количества компонент к типу данных scalar. НапримерFloat4 определяет четырехкомпонентный вектор пример определения вектора. Для матрицы, например Float4x4 добавляем NxN, то есть указываем размеренность матрицы. Пример определения вектора и матрицы:

float3 fVector = { 0.2f, 0.3f, 0.4f };
double3x3 dMatrix;   
float2x2 fMatrix = { 0.0f, 0.1, // row 1
                     2.1f, 2.2f // row 2  };

Типы Sampler используется для описания типа фильтрации текстуры. Тип Shaderиспользуется для техники. Тип Textureдля указания на используемую текстуру. Примеры определений для этих типов данных. Тип данных Sampler:

sampler MeshTextureSampler = 
sampler_state
{
    Texture = <g_MeshTexture>;
    MipFilter = LINEAR;
    MinFilter = LINEAR;
    MagFilter = LINEAR;
};

Тип данных Shader:

technique10 Render
{
    pass P0
    {
        SetVertexShader( CompileShader( vs_4_0, VS() ) );
        SetGeometryShader( NULL );
        SetPixelShader( CompileShader( ps_4_0, PS() ) );
    }
}

Тип данных Texture:

texture g_MeshTexture;
Output.RGBColor = tex2D(MeshTextureSampler, In.TextureUV) * In.Diffuse;

Тип данных Texture, еще один вариант:

Texture2D g_MeshTexture;
Output.RGBColor = g_MeshTexture.Sample(MeshTextureSampler, In.TextureUV) * In.Diffuse;

Операции ветвления кода в HLSL

В большинстве случаев код HLSLвыполняется построчно, то есть одна строка, или инструкция потом следующая и так далее. Но в некоторых случаях, можно добавлять циклы и условные переходы. Обратите внимание, что так как HLSLдолжен работать быстро, то ветвления в коде HLSLдолжны быть скорее исключением, чем практикой.

Операции ветвления в HLSLимеют тот же синтаксис, что и в языке C++.

Определения функций и блоки в HLSL

Остальная структура языка может быть сведена к следующей таблице:

Определение функций имеет некоторые характерные черты в HLSL. Об этом далее.

Типы данных, для вершинного и пиксельного шейдера

Для вершинного и пиксельного шейдера существуют определенные типы данных, присущие им в качестве входящих данных и выходящих функций. Итак, вершинныйшейдер принимает в себя входящие данные, которые должны полностью соответствовать формату вершинного буфера. Пример формата входящих данных для вершинного шейдера:

struct VS_INPUT
{
    float3 Pos          : POSITION;         //position
    float3 Norm         : NORMAL;           //normal
    float2 Tex          : TEXCOORD0;        //texture coordinate
};

Выходящими данными вершинныйшейдер возвращает операцией return. Они должны содержать структуру, хранящую координаты а также любые другие произвольные данные.

Выходящие данные вершинногошейдера являются входящими данными пиксельного шейдера и имеют идентичный формат:

struct PS_INPUT
{
    float4 Pos          : SV_POSITION;
    float3 Norm         : TEXCOORD0;
    float2 Tex          : TEXCOORD1;
};

Пример входящего формата пиксельного шейдера эта структура PS_INPUT. Пиксельный шейдер операцией returnможет возвратить единственную переменную формата float4, определяющую цвет точки.

float 4 color= g_txDiffuse.Sample( ...
return color;

Встроенные функции HLSL

Встроенные функции HLSLпозволяют осуществлять многие операции, которые невозможно выполнить обычным кодом HLSL. Встроенные функции обозначаются IntrinsicFuncions. В число этих функций входят математические функции, операции с матрицами и векторами, операции выборки из текстур а также много другое. Вот пример некоторых из встроенных функций HLSL:

abs
sin
cos
dot
cross
fmod
log
mul
max
min
round
sqrt
tan
tex1d
tex2d
texCUBE

В этом отрывке кода из вершинного шейдера

output.Pos = mul( output.Pos, View );
output.Pos = mul( output.Pos, Projection );
output.Norm = mul( input.Norm, World );

легко найти места, в которых вызывается встроенная функция шейдераmul, соответствующая операции умножения матриц.

Заключение

В этом уроке вы познакомились непосредственно с тем, что представляет из себяшейдер. HLSLне так сложен как многие другие языки, так как программы на нем – точнее фрагменты кода для пиксельного и вершинного шейдера – получаются очень короткими.

Заполнен: DirectX10
Присвоен тэг: C++ • DirectX