Урок 9. Шейдеры в Direct3D11

Урок 9. Шейдеры в Direct3D11

В этом уроке вы узнаете: какая архитектура шейдеров; какую роль выполняют шейдеры в DirectX приложении; что такое язык HLSL и 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 DirectX приложения. 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 HLSL является стандартным и его компиляция осуществляется на ходу любой 3d системой, например DirectX или OpenGL. Таким образом, вы просто указываете на исходный файл формата .fx и он автоматически загружается, компилируется и выполняется непосредственно в вашем 3d приложении.

Язык HLSL

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

//------------------------------------------------------------------------------------
// Constant Buffer Variables
//------------------------------------------------------------------------------------
Texture2D txDiffuse : register( t0 );
SamplerState samLinear : register( s0 );
//------------------------------------------------------------------------------------
cbuffer ConstantBuffer: register( b0 )
{
    matrix World;
    matrix View;
    matrix Projection;
    float4 vMeshColor;
 
};
//------------------------------------------------------------------------------------
struct VS_INPUT
{
    float4 Pos : POSITION;
    float2 Tex : TEXCOORD0;
};
 
struct PS_INPUT
{
    float4 Pos : SV_POSITION;
    float2 Tex : TEXCOORD0;
};
//------------------------------------------------------------------------------------
// Vertex Shader
//------------------------------------------------------------------------------------
PS_INPUT VS( VS_INPUT input )
{
    PS_INPUT output = (PS_INPUT)0;
    output.Pos = mul( input.Pos, World );
    output.Pos = mul( output.Pos, View );
    output.Pos = mul( output.Pos, Projection );
    output.Tex = input.Tex;
 
    return output;
}
//------------------------------------------------------------------------------------
// Pixel Shader
//------------------------------------------------------------------------------------
float4 PS( PS_INPUT input) : SV_Target
{
    return txDiffuse.Sample( samLinear, input.Tex ) * vMeshColor;
}

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

Типы данных HLSL

В каждом языке существуют различные встроенные типы данных. В языке HLSL типы 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 Vector и Matrix обозначается добавлением количества компонент к типу данных scalar. Например, Float4 определяет четырехкомпонентный вектор. Для матрицы, например Float4x4 добавляется NxN, то есть указывается 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 Texture для указания на используемую текстуру. Примеры определений для этих типов данных, тип данных Sampler и Texture:

Texture2D txDiffuse : register( t0 );
SamplerState samLinear : register( s0 );

ТипданныхTexture:

float4 Color=txDiffuse.Sample( samLinear, input.Tex ) * vMeshColor;

Операции ветвления кода в HLSL

В большинстве случаев код HLSL выполняется 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 HLSL должен работать быстро, то ветвления в коде HLSL должны быть скорее исключением, чем практикой.

Операции ветвления в HLSL имеют 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 данные вершинныйшейдер возвращает операцией return. Они должны содержать структуру, хранящую координаты а также любые другие произвольные данные.

Выходящие данные вершинногошейдера являются входящими данными пиксельного шейдера:

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 return может возвратить единственную переменную формата float4, определяющую цвет точки.

float4 color= g_txDiffuse.Sample( ...
return color;

Встроенные функции HLSL

Встроенные функции HLSL позволяют 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 шейдера mul, соответствующая операции умножения матриц.

Заключение

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

Заполнен: DirectX11
Присвоен тэг: C++ • DirectX