Высокоуровневый язык шейдеров HLSL

XNA поддерживает программирование шейдеров с использованием предлагаемого Microsoft высокоуровневого языка шейдеров (HLSL, High Level Shading Language). В HLSL есть небольшой набор функций, включающий математические операции, доступ к текстурам и управление потоком исполнения. Поддерживаемые HLSL типы данных похожи на используемые в языке C, за исключением векторов, матриц и объектов выборки.

Типы данных

HLSL поддерживает много различных типов данных, включая скаляры, векторы, матрицы и объекты выборки. В таблице 8.1 показаны представленные в языке скалярные типы данных. Заметьте, что для всех представленных в языке скалярных типов данных можно создавать векторы и матрицы, такие как float2, float4, bool3x3, double2x2 и т.д.

Таблица 8.1. Скалярные типы HLSL

Другим представленным в HLSL типом данных является тип sampler, используемый для чтения (выборки) данных из текстур. Есть несколько различных типов объектов выборки, таких как sampler, sampler1D, sampler2D и sampler3D, используемых для выборки из одномерных, двухмерных и трехмерных текстур. Объект выборки имеет несколько связанных с ним состояний, которые задают текстуру из которой производится выборка, применяемый тип фильтрации и режим адресации (обертывания) текстуры. Ниже приведен пример объекта выборки для двухмерной текстуры:

// Объявляем входную текстуру
texture skyTexture;

// Объявляем объект выборки, используемый для
// доступа к skyTexture
sampler2D skySampler = sampler_state
{
    Texture = skyTexture;

    MinFilter = Linear;
    MagFilter = Linear;
    MipFilter = Linear;

    AddressU = Wrap;
    AddressV = Wrap;
    AddressW = Wrap;
}

Состояние Texture представляет текстуру из которой будет производиться выборка; используя данный объект выборкм можно будет читать данные только из этой текстуры. MinFilter, MagFilter и MipFilter это состояния фильтрации, а AddressU, AddressV и AddressW — состояния адресации. За дополнительной информацией обращайтесь к документации DirectX SDK (http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/bb509638.aspx), где есть полный справочник по представленным в HLSL типам данных.

Неизменные и меняющиеся входные данные

В HLSL есть две разновидности входных типов данных: неизменные и меняющиеся. Неизменные входные данные — это данные, остающиеся в шейдере постоянными в ходе обработки всех входных данных. Например, во время визуализации машины, текстура и мировая матрица постоянны.

В шейдере неизменные входные данные обычно объявляются как глобальные переменные, в начале шейдера вне области видимости функций. Неизменные переменные запрашиваются и устанавливаются приложением, обычно с использованием их имен.

Меняющиеся входные данные — это данные, которые меняются при каждом исполнении шейдера. Например, во время визуализации машины, все вершины модели машины передаются этапу обработки вершин. Таким образом, каждый раз при выполнении вершинный шейдер получает в качестве входных данных вершину с отличающимися атрибутами (местоположением, цветом, нормалью и т.д.). Итак, атрибуты вершин не постоянны в процессе визуализации всей машины. В отличие от неизменных входных данных, вы объявляете меняющиеся входные данные используя семантику.

Семантика

HLSL использует семантику для отображения входных и выходных данных на переменные. Например, вы используете семантику POSITION0 на этапе обработки вершин, чтобы отобразить атрибуты местоположения каждой вершины на меняющуюся переменную следующим образом:

float4 vertexPosition : POSITION0;

Семантика требуется для всех меняющихся входных данных (получаемых из приложения или передающихся между этапами визуализации). Например, всем выходным данным вершинного шейдера, которые будут использоваться в пиксельном шейдере, должна быть назначена семантика. Семантика нечувствительна к регистру символов и задается после имени переменной через двоеточие (:). В таблице 8.2 показаны некоторые семантики вершинных шейдеров.

Таблица 8.2. Семантики вершинных шейдеров

Вы используете входные семантики вершинного шейдера для меняющихся данных, получаемых вершинным шейдером. Наиболее часто используются семантики POSITION, COLOR, NORMAL и TEXCOORD. Семантики TANGENT и BINORMAL вы применяете, если у вершины есть вектор касательной (tangent) или вектор бинормали (binormal), которые перпендикулярны вектору нормали вершины. Вы используете эти три вектора для создания системы координат, которая будет параллельна поверхности объекта в заданной точке (называемой касательным пространством). Семантики BLENDINDICES и BLENDWEIGHT вы используете когда вершины связаны с костями (bone). Кости используются для деформирования вершин сетки и будут рассмотрены в главе 11.

Обратите внимание, что [n] — это необязательное целое число, определяющее количество используемых ресурсов. Например, если у модели три текстуры, [n] в семантике TEXCOORD может варьироваться от 0 до 2. Таким образом, допустимыми входными семантиками для вершинного шейдера будут TEXCOORD0, TEXCOORD1 и TEXCOORD2. Таблица 8.3 показывает некоторые семантики пиксельных шейдеров.

Таблица 8.3. Семантики пиксельных шейдеров

Поскольку пиксельный шейдер выполняется после этапа растеризации, доступными входными семантиками являются цвет пикселя и некоторые координаты текстуры. Координаты текстуры являются позволяют адресоваться к местоположению в текстуре, отображаемому на текущий пиксель. Обратите внимание, что используя координаты текстуры вы можете выводить из вершинного шейдера свои собственные произвольные данные.

Итоговыми выходными данными пиксельного шейдера являются цвет пикселя и его глубина, причем вывод цвета пикселя обязателен, а глубину пикселя можно не выводить.

Функции

HLSL позволяет создавать функции, используя синтаксис, подобный языку C, где у каждой функции есть объявление и тело. Объявление функции содержит имя функции и тип возвращаемого значения, а также может иметь список параметров. Кроме того, у типа, возвращаемого функцией, может быть связанная с ним семантика. Ниже показан код функции, используемой как точка входа пиксельного шейдера. Мы покажем, как определить, какие функции будут использованы в качестве точек входа для вершинного и пиксельного шейдера, в разделе «Эффекты».

float4 simplePS(float4 inputColor : COLOR0) : COLOR0
{
    return inputColor * 0.5f;
}

Поскольку функция simplePS используется как точка входа пиксельного шейдера, каждому из ее параметров должна быть назначена семантика. В данном случае функция simplePS масштабирует полученный параметр цвета, используя коэффициент 0.5, и возвращает итоговый цвет пикселя. Обратите внимание, что параметры функции могут иметь другие модификаторы, такие как in, out и inout, применяемые для описания входных, выходных и двунаправленных параметров.

Встроенные функции

В HLSL есть небольшой набор функций, включающий математические операции, доступ к текстурам и управление потоком выполнения. Эти функции называются встроенными, поскольку они реализованы в HLSL и не всегда непосредственно отображаются на инструкции ассемблера GPU. Фактически, многим из этих инструкций соответствует несколько команд ассемблера GPU, и они, вероятно, обеспечат лучшее выполнение поставленной задачи. В таблице 8.4 показаны некоторые из имеющихся в HLSL функций.

Таблица 8.4. Некоторые функции HLSL

Создание простого шейдера

В этом разделе вы создадите свой первый шейдер, используя HLSL. Сперва вы должны объявить неизменные и меняющиеся переменные шейдера:

// Матрица, получаемая от приложения - неизменная
// (Мировая * Вид * Проекция)
float4x4 matWVP : WorldViewProjection;

// Структура, используемая для входных вершин - меняющаяся
struct vertexInput
{
    float4 position : POSITION0;
};

// Структура, используемая для передачи выходных данных
// вершинного шейдера на вход пиксельного шейдера - меняющаяся
struct vertexOutput
{
    float4 hposition : POSITION;
    float3 color : COLOR0;
};

В показанном коде вы используете структуру vertexInput для передачи данных от приложения вершинному шейдеру, и структуру vertexOutput для передачи данных от вершинного шейдера к пиксельному шейдеру.

У структуры vertexInput есть единственный атрибут: местоположение вершины. В структуре vertexOutput два атрибута, и ими являются итоговое местоположение вершины и цвет. Итак, функция вершинного шейдера получает местоположение вершины и должна вывести итоговое местоположение и цвет.

Заметьте, что выводимое вершинным шейдером местоположение вершины недоступно пиксельному шейдеру. Затем объявим функцию, используемую как точка входа вершинного шейдера:

// Код вершинного шейдера
pixelInput SimpleVS(vertexInput IN)
{
    pixelInput OUT;

    // Преобразуем местоположение вершины
    OUT.hposition = mul(IN.position, matWVP);
    OUT.color = float3(1.0f, 1.0f, 0.0f);

    return OUT;
}

В функции SimpleVS вы вычисляете местоположение выходной вершины трансформировав (умножив) ее посредством матрицы matWVP (которая является комбинацией мировой матрицы, матрицы вида и матрицы проекции). Выходной цвет вершины делается желтым, RGB(1, 1, 0). Теперь вы должны объявить функцию, используемую как точка входа пиксельного шейдера:

// Код пиксельного шейдера
float4 SimplePS(pixelInput IN) : COLOR0
{
    return float4(IN.color.rgb, 1.0f);
}

Созданный пиксельный шейдер просто возвращает цвет, полученный от этапа обработки вершин. Этот цвет будет использован как итоговый цвет пикселя.

Эффекты

Эффекты — это сущности, которые могут хранить различные шейдеры, техники и конфигурации для фиксированных этапов конвейера визуализации. Помимо шейдеров в эффекте должна быть одна или несколько техник (technique). Техника используется, чтобы определить, как находящиеся внутри эффекта шейдеры должны быть скомпилированы и скомпонованы для визуализации. Например, поскольку в эффекте может быть много вершинных и пиксельных шейдеров, каждая техника должна определить свою комбинацию (компоновку) вершинных и пиксельных шейдеров. В техниках также может быть больше одного прохода, и весь процесс визуализации повторяется для каждого прохода. Более того, внутри техники можно сконфигурировать некоторые параметры этапов растеризации и объединения вывода.

Использование эффектов облегчает программирование шейдеров, позволяя повторно использовать код шейдера в различных техниках, а также создавать различные техники, нацеленные на слабые и мощные графические процессоры. Ниже приведен код техники:

technique basicShader
{
    pass p0
    {
        VertexShader = compile vs_2_0 SimpleVS();
        PixelShader = compile ps_2_0 SimplePS();
    }
}

В технике basicShader всего один проход, названный p0. Внутри каждого прохода вы определяете, какие функции будут использованы в качестве точек входа вершинного и пиксельного шейдеров. В данном случае вы используете функцию SimpleVS как точку входа вершинного шейдера и функцию SimplePS как точку входа пиксельного шейдера. Вам также надо определить какая шейдерная модель будет использована при компиляции шейдеров. В данном случае вы используете шейдерную модель 2.0.

Шейдерные модели эволюционируют, начиная с DirectX 8.1, и XNA поддерживает шейдерные модели вплоть до 3.0. Каждая шейдерная модель отличается своими возможностями и позволяет создавать шейдеры с различным количеством команд. Например, операции динамического управления потоком выполнения (if, while и т.д.) для вершинных и пиксельных шейдеров доступны только в шейдерной модели версии 3.0 или выше. Таблица 8.5 показывает количество слотов инструкций, доступное в каждой из шейдерных моделей. Обратите внимание, что каждая функция HLSL может использовать один или несколько слотов инструкций, поскольку нет прямого отображения на команды ассемблера GPU.

Таблица 8.5. Количество слотов инструкций в шейдерных моделях