顶点着色器入门.doc

定点着色器入门（续）  
2008-08-10 12:35:49|  分类： 游戏 |  标签： |字号大中小 订阅
顶点着色器（vertex shader）是一个在图形卡的GPU上执行的程序，它替换了固定功能管线（fixed function pipeline）中的变换（transformation）和光照（lighting）阶段。（这不是百分之百的正确，因为顶点着色器可以被Direct3D运行时（Direct3D runtime）以软件模拟，如果硬件不支持顶点着色器的话）。图17.1说明了管线中顶点着色器替换的部件。

从图17.1，我们知道，顶点以局部坐标输入到顶点着色器，并且必须输出齐次剪裁空间的有颜色的顶点。（经投影矩阵变换顶点后的空间称作齐次剪裁空间（homogeneous clip space）。因此，要把一个顶点从局部空间变换到齐次坐标空间，我们必须应用下列变换序列：世界变换（world transformation），视图变换（view transformation）和投影变换（projection transformation），它们分别由世界矩阵，视图矩阵和投影矩阵来完成。）对于点元（point primitive），顶点着色器也被用于操作每个顶点的顶点大小。
 由于顶点着色器是我们（在HLSL中）写的一个自定义程序，因此我们在图形效果方面获得了极大的自由性。我们不再受限于Direct3D的固定光照算法。此外，应用程序操纵顶点位置的能力也有了多样性，例如：cloth simulation，粒子系统的点大小操纵，还有顶点混合/morphing。此外，我们的顶点数据结构更自由了，并且可以在可编程管线中包含比在固定功能管线中多得多的数据。
 顶点着色器仍然是相对新的特性，并且许多图形卡不支持它们，特别是随DirectX 9发布的较新版本的顶点着色器。通过检查D3DCAPS9结构的VertexShaderVersion成员，可以测试顶点着色器的版本。下列代码段展示了这一点：
// 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.
我们看到D3D_VERSION的两个参数分别接收主和次版本号。现在，D3DXCompileShaderFromFile函数支持顶点着色器版本1.1和2.0。

17.1顶点声明
我们已经使用自由顶点格式（flexible vertex format，FVF）来描述顶点结构中的各分量。但是，在可编程管线中，顶点数据包含的数据比用FVF所能表达的多很多。因此，我们通常使用更具表达性并且更强大的顶点声明（vertex declaration）。注意：如果FVF能够描述我们的顶点格式我们仍然可以在可编程管线中使用它。不管用何种方法，只是为了方便，同样FVF会在内部被转换为一个顶点声明。
17.1.1 描述顶点声明
我们将一个顶点声明描述为一个D3DVERTEXELEMENT9结构的数组。D3DVERTEXELEMENT9数组中的每个成员描述了一个顶点的分量。所以，如果你的顶点结构有三个分量（例如：位置、法线、颜色），那么其相应的顶点声明将描述3个D3DVERTEXELEMENT9结构的数组。这个D3DVERTEXELEMENT9结构定义如下：
typedef struct _D3DVERTEXELEMENT9 {
     BYTE Stream;
     BYTE Offset;
     BYTE Type;
     BYTE Method;
     BYTE Usage;
     BYTE UsageIndex;
} D3DVERTEXELEMENT9;

Stream——指定与顶点分量相关联的流
ffset——偏移，按字节，相对于顶点结构成员的顶点分量的开始。例如，如果顶点结构是：
struct Vertex
{
     D3DXVECTOR3 pos;
     D3DXVECTOR3 normal;
};
……pos分量的偏移是0，因为它是第一个分量；normal分量的偏移是12，因为sizeof(pos) = 12。换句话说，normal分量以Vertex的第12个字节为开始。
Type——指定数据类型。它可以是D3DDECLTYPE枚举类型的任意成员；完整列表请参见文档。常用类型如下：
        D3DDECLTYPE_FLOAT1——浮点数值
        D3DDECLTYPE_FLOAT2——2D浮点向量
        D3DDECLTYPE_FLOAT3——3D浮点向量
        D3DDECLTYPE_FLOAT4——4D浮点向量
        D3DDECLTYPE_D3DCOLOR—D3DCOLOR类型，它扩展为RGBA浮点颜色向量(r g b a)，其每一分量都是归一化到区间[0, 1]了的。
Method——指定网格化方法。我们认为这个参数是高级的，因此我们使用默认值，标识为D3DDECLMETHOD_DEFAULT.。
Usage——指定已计划的对顶点分量的使用。例如，它是否准备用于一个位置向量、法线向量、纹理坐标等？有效的用途标识符（usage identifier）是D3DDECLUSAGE枚举类型的：
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类型用于指定一个顶点的大小。它用于点精灵，因此我们可以基于每个顶点控制其大小。一个D3DDECLUSAGE_POSITION成员的顶点声明意味着这个顶点已经被变换，它通知图形卡不要把这个顶点送到顶点处理阶段（变形和光照）。
UsageIndex——用于标识多个相同用途的顶点分量。这个用途索引是位于区间[0, 15]间的一个整数。例如，假设我们有三个用途为D3DDECLUSAGE_NORMAL的顶点分量。我们可以为第一个指定用途索引为0，为第二个指定用途索引为1，并且为第三个指定用途索引为2。按这种方式，我们可以通过其用途索引标识每个特定的法线。
顶点描述声明的例子：假设我们想要描述的顶点格式由位置向量和三个法线向量组成。顶点声明可以指定如下：
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数组的最后一个顶点元素。同样的，注意法向量的用途索引标签。

17.1.2 创建顶点声明
一旦你描述了一个顶点声明为D3DVERTEXELEMENT9数组，我们就可以使用下面的方法获得一个IDirect3DVertexDeclaration9接口指针：
HRESULT IDirect3DDevice9::CreateVertexDeclaration(
     CONST D3DVERTEXELEMENT9* pVertexElements,
     IDirect3DVertexDeclaration9** ppDecl
);
pVertexElements——D3DVERTEXELEMENT9结构数组，它描述我们想要创建的顶点声明。
ppDecl——用于返回创建的IDirect3DVertexDeclaration9接口指针
例子调用，其中decl是一个D3DVERTEXELEMENT9数组：
IDirect3DVertexDeclaration9* _decl = 0;
hr = _device->CreateVertexDeclaration(decl, &_decl);

17.1.3 使用一个顶点声明
回忆一下：自由顶点格式是一个方便的特性并且在内部转换成了顶点声明。因此，当直接使用顶点声明，我们不再需要调用：Device->SetFVF( fvf );
相反，我们调用：Device->SetVertexDeclaration( _decl );
其中，_decl是一个IDirect3DVertexDeclaration9接口指针。

17.2顶点数据用途
考虑这个顶点声明：
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()
};

我们需要一种方式，来定义一个顶点声明的元素到顶点着色器的Input结构的数据成员的映射。我们在Input结构中通过指定每个数据成员的语义（: usage-type [usage-index]）定义这个映射。语义通过元素的用途类型和用途索引标识顶点声明中的一个元素。由数据成员的语义标识的顶点元素是得以映射到数据成员的元素。例如，对应于前面的顶点声明的输入结构是：
struct VS_INPUT
{
     vector position    : POSITION;
     vector normal     : NORMAL0;
     vector faceNormal1 : NORMAL1;
     vector faceNormal2 : NORMAL2;
};
注意：如果我们遗漏了用途索引，就意味着用途索引为零。例如，POSITION和POSITION0是同一样东西。
这里decl中的元素0，由用途POSITION和用途索引0标识，它映射到position。decl中的元素1，由用途NORMAL和用途索引0标识，它映射到normal。decl中的元素2，由NORMAL和用途索引1标识，它映射到faceNormal1。decl中的元素3，由用途NORMAL和用途索引2标识，它映射到faceNormal2。
受支持的顶点着色器输入用途（input usage）是：
POSITION [n]——位置
BLENDWEIGHTS [n]——混合权重
BLENDINDICES [n]——混合索引
NORMAL [n]——法线向量
PSIZE[n]——顶点大小
DIFFUSE [n]——散射颜色
SPECULAR [n]——镜面颜色
TEXCOORD [n]——纹理坐标
其中，n是一个位于区间[0, 15]的可选整数。
此外，对于输出结构，我们必须指定每个成员是用来做什么的。例如，数据成员应该被作为位置向量、颜色、纹理坐标等对待吗？图形卡没主意，除非你强制的告诉它。这也需要通过语法的语义来完成：
struct VS_OUTPUT
{
     vector position  : POSITION;
     vector diffuse   : COLOR0;
     vector specular  : COLOR1;
};
受支持的顶点着色器输出用途是：
POSITION—位置
PSIZE—顶点大小
FOG—雾混合值
COLOR [n]—顶点颜色。注意：可以有多个顶点颜色被输出，并且这些颜色可以被混合在一起以产生最终的颜色。
TEXCOORD [n]—顶点纹理坐标。注意：多个顶点纹理坐标可以被输出。
其中，n是一个位于区间[0, 15]的可选整数。
17.3使用顶点着色器的步骤
下面的列表概括了创建和使用顶点着色器的必须步骤：
1.      编写并编译顶点着色器
2.      创建一个IDirect3DVertexShader9接口以引用已编译的着色器代码上的顶点着色器。
3.      用IDirect3DDevice9:: SetVertexShader方法使用这个顶点着色器。
当然，在我们做完这些之后，我们还得销毁这个顶点着色器。
17.3.1 编写并编译顶点着色器
首先，我们必须编写一个顶点着色器程序。一旦着色器代码写好之后，我们就使用D3DXCompileShaderFromFile函数编译这个着色器。回忆一下，这个函数返回一个ID3DXBuffer指针，它包含已编译的着色器代码。
17.3.2 创建顶点着色器
一旦我们拥有了编译好的着色器代码，我们就能够获得一个IDirect3DVertexShader9接口的指针，它代表一个顶点着色器——通过使用下面的方法：

        HRESULT IDirect3DDevice9::CreateVertexShader(

             const DWORD *pFunction,

             IDirect3DVertexShader9** ppShader

);   
pFunction——已编译着色器代码的指针
ppShader——返回一个IDirect3DVertexShader9接口的指针
例如，假设变量shader是一个包含已编译的，着色器代码的ID3DXBuffer指针。然后要获得一个IDirect3DVertexShader9接口，我们可以写：

        IDirect3DVertexShader9* ToonShader = 0;

hr =         Device->CreateVertexShader(

                   (DWORD*)shader->GetBufferPointer(),

                   &ToonShader);   
注意：重申一遍，D3DXCompileShaderFromFile是一个函数，它将返回已编译着色器的代码（shader）。
17.3.3 建立顶点着色器
在我们获得了一个代表我们的顶点着色器的IDirect3DVertexShader9接口的指针之后，我们就能够使用下面的方法使用它：

        HRESULT IDirect3DDevice9::SetVertexShader(

             IDirect3DVertexShader9* pShader

);   
这个方法仅接受一个参数，我们在其中传递一个想要使用的顶点着色器的指针。要使用这个着色器，我们可以写：Device->SetVertexShader(ToonShader);

17.3.4 销毁顶点着色器
和所有的Direc3D接口一样，要清除他们，我们就必须在用完它们之后调用其的Release方法。
17.4应用程序：散射光照
作为创建并使用顶点着色器的热身，我们写一个顶点着色器，它用一个方向（平行）光对每个顶点进行标准的散射光照。简而言之，散射光照根据顶点法线和光线向量（它朝向光源方向）的角度计算顶点接收到的光线的数量。角度越小，则顶点接收到的光线就越多；而角度越大，则顶点接收到的光线就越少。如果角度大于等于90度，顶点就接收不到光线了。
我们以检阅着色器代码作为开始：
     /**********************************************************************************
      Vertex shader that does diffuse lighting.         
     **********************************************************************************/

    matrix g_view_matrix;
    matrix g_view_proj_matrix;

    vector g_ambient_material;
    vector g_diffuse_material;

    vector g_dir_to_light;    // the direction to the light source

    // Global variables used to hold the ambient light intensity (ambient light the light 
    // source emits) and the diffuse light intensity (diffuse light the light source emits).  
    // These variables are initialized here in the shader.

    const vector DIFFUSE_LIGHT_INTENSITY = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f};
    const vector AMBIENT_LIGHT_INTENSITY = {2.0f, 2.0f, 1.0f, 1.0f};

    struct sVertexInput
    {
        vector position : POSITION;
        vector normal    : NORMAL;
    };

    struct sVertexOutput
    {
        vector position : POSITION;
        vector diffuse  : COLOR;
    };

        ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

    sVertexOutput main(sVertexInput vertex_input)
    {
        sVertexOutput vertex_output = (sVertexOutput) 0;

        // transform position to homogeneous clip space
            vertex_output.position = mul(vertex_input.position, g_view_proj_matrix);

        // Transform lights and normals to view space.
        // Set w components to zero since we're transforming vectors here and not points.

        g_dir_to_light.w      = 0.0f;
        vertex_input.normal.w = 0.0f;

        g_dir_to_light        = mul(g_dir_to_light,       g_view_matrix);
        vertex_input.normal = mul(vertex_input.normal, g_view_matrix);

        // compute cosine of the angle between light and normal
        float scalar = dot(g_dir_to_light, vertex_input.normal);

        // Recall that if the angle between the surface and light is greater than 90 degrees 
        // the surface recieves no light. Thus, if the angle is greater than 90 degrees we set
        // scalar to zero so that the surface will not be lit.
        if(scalar < 0.0f)
            scalar = 0.0f;

        // Ambient light reflected is computed by performing a component wise multiplication with 
        // the ambient material vector and the ambient light intensity vector.
        //
        // Diffuse light reflected is computed by performing a component wise multiplication with 
        // the diffuse material vector and the diffuse light intensity vector.  
        // Further we scale each component by the shading scalar s, which shades the color based on 
        // how much light the vertex received from the light source.
        //
        // The sum of both the ambient and diffuse components gives us our final vertex color.
            vertex_output.diffuse = (g_ambient_material * AMBIENT_LIGHT_INTENSITY) +
                                (scalar * (g_diffuse_material * DIFFUSE_LIGHT_INTENSITY));

        return vertex_output;
    }

执行程序：
     /**************************************************************************************************
      Demonstrates diffuse lighting using a vertex shader.  You will have to switch to 
      the REF device to run this sample if your hardware does not support shaders.  
      Or you can use software vertex processing: D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING. 
     **************************************************************************************************/

    #include "d3dUtility.h"

    #pragma warning(disable : 4100)

    const int WIDTH  = 640;
    const int HEIGHT = 480;

    IDirect3DDevice9*        g_device;
    ID3DXMesh*                g_teapot_mesh;
    IDirect3DVertexShader9* g_vertex_shader;
    ID3DXConstantTable*        g_constant_table;

    D3DXHANDLE                g_view_matrix_handle;
    D3DXHANDLE                g_view_proj_matrix_handle;
    D3DXHANDLE                g_ambient_material_handle;
    D3DXHANDLE                g_diffuse_material_handle;
    D3DXHANDLE                g_dir_to_light_handle;

    D3DXMATRIX                g_proj_matrix;

        ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

    bool setup()
    {    
        D3DXCreateTeapot(g_device, &g_teapot_mesh, NULL);

        // compile shader

        ID3DXBuffer*    shader_buffer;
        ID3DXBuffer*    error_buffer;

        HRESULT hr = D3DXCompileShaderFromFile("DiffuseShader.cxx", NULL, NULL, "main", "vs_1_1",
                                               D3DXSHADER_ENABLE_BACKWARDS_COMPATIBILITY,
                                               &shader_buffer, &error_buffer, &g_constant_table);

        // output any error messages
        if(error_buffer)
        {
            MessageBox(NULL, (char*)error_buffer->GetBufferPointer(), "ERROR", MB_OK);
            safe_release<ID3DXBuffer*>(error_buffer);
        }

        if(FAILED(hr))
        {
            MessageBox(NULL, "D3DXCreateEffectFromFile() - FAILED", "ERROR", MB_OK);
            return false;
        }

        hr = g_device->CreateVertexShader((DWORD*) shader_buffer->GetBufferPointer(), &g_vertex_shader);

        if(FAILED(hr))
        {
            MessageBox(NULL, "CreateVertexShader - FAILED", "ERROR", MB_OK);
            return false;
        }

        safe_release<ID3DXBuffer*>(shader_buffer);

        // get handles
            g_view_matrix_handle        = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_view_matrix");
        g_view_proj_matrix_handle    = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_view_proj_matrix");
        g_ambient_material_handle   = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_ambient_material");
        g_diffuse_material_handle   = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_diffuse_material");
        g_dir_to_light_handle        = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_light_direction");

        //
        // set shader constants
        //

        // light direction
            D3DXVECTOR4 dir_to_light(-0.57f, 0.57f, -0.57f, 0.0f);
        g_constant_table->SetVector(g_device, g_dir_to_light_handle, &dir_to_light);

        // materials
            D3DXVECTOR4 ambient_material(1.0f, 1.0f, 0.5f, 1.0f);
        D3DXVECTOR4 diffuse_material(1.0f, 1.0f, 0.5f, 1.0f);

        g_constant_table->SetVector(g_device, g_ambient_material_handle, &ambient_material);
        g_constant_table->SetVector(g_device, g_diffuse_material_handle, &diffuse_material);

        g_constant_table->SetDefaults(g_device);

        // set the projection matrix
            D3DXMatrixPerspectiveFovLH(&g_proj_matrix, D3DX_PI/4.0f, (float)WIDTH/HEIGHT, 1.0f,