Использование шейдеров с помощью языка HLSL. Графический процессор
Использование шейдеров с помощью языка HLSL
До появления на свет восьмой версии библиотеки DirectX графический конвейер представлял собой некую модель "черного ящика", когда программист мог загружать в него исходные графические данные и настраивать фиксированное количество параметров (состояний). Такой фиксированный подход связывал руки разработчикам в реализации различных спецэффектов при программировании трехмерной графики. Данный недостаток был преодолен с появлением восьмой версии графической библиотеки DirectX. Основным нововведением в ней стало появление программируемых элементов графического конвейера. Были введены так называемые вершинные шейдеры для замены блока трансформации вершин и расчета освещенности, и пиксельные шейдеры для замены блока мультитекстурирования. Теперь программист мог сам задавать правила (законы) преобразования вершин трехмерной модели в вершинном шейдере и определять способы смешивания цвета пикселя и текстурных цветов. Таким образом вершинный шейдер представляет собой небольшую программу (набор инструкций), которая оперирует с вершинными атрибутами трехмерного объекта. Пиксельный шейдер предназначен для обработки элементарных фрагментов (пикселей). Ниже представлена схема графического конвейера, где показано какой этап обработки вершин заменяется вершинными шейдерами.
Изначально шейдеры писались на языке программирования, близкого к ассемблеру. С выходом девятой версии библиотеки DirectX появилась возможность создавать (программировать) шейдеры с использованием высокоуровневого языка программирования HLSL (High-Level Shader Language), разработанного компанией Microsoft. Преимущества высокоуровневого языка программирования перед низкоуровневым очевидны:
- Написание программ (кодирование) занимает меньше времени (можно посвятить больше времени разработке алгоритма)
- Программы на языке HLSL более читабельны и удобнее в отладке.
- Компилятор HLSL создает более оптимизированный код чем программист.
- Возможность компилировать программу под любую версию шейдеров.
Рассмотрим сначала основные шаги использования вершинных шейдеров в библиотеке Direct3D с использованием языка HLSL. Вообще говоря, вершинные шейдеры могут эмулироваться программным способом. Это означает, что вся обработка (обсчет) вершин будет производиться с помощью центрального процессора ( CPU ) компьютера. Программно это достигается путем указания в четвертом параметре функции создания устройства вывода, флага D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING. В случае если возможности видеокарты позволяют использование шейдеров, то указывается константа D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING.
Первым шагом при работе с вершинными шейдерами необходимо задать формат вершины. Теперь это проделывается не через набор FVF флагов, а с помощью структуры D3DVertexElement9. Нужно заполнить массив типа D3DVertexElement9, каждый элемент которого представляет структуру, состоящую из шести полей. Первое поле указывает номер потока вершин, и как правило, здесь передается ноль, если используется один поток. Второе поле задает для атрибута вершины смещение в байтах от начала структуры. Так, например, если вершина имеет атрибуты позиции и нормали, то смещение для первого из них (позиции) будет 0, а для второго (нормаль) – 12, т.к. объем памяти для первого атрибута есть 3*4=12 байт. Третье поле определяет тип данных для каждого атрибута вершины. Наиболее часто используемые приведены ниже:
D3DDECLTYPE_FLOAT1 D3DDECLTYPE_FLOAT2 D3DDECLTYPE_FLOAT3 D3DDECLTYPE_FLOAT4 D3DDECLTYPE_D3DCOLOR.
Четвертое поле задает метод тесселяции (разбиения сложной трехмерной поверхности на треугольники). Здесь, как правило, передают константу D3DDECLMETHOD_DEFAULT. Пятое поле указывает на то, в качестве какого компонента планируется использовать данный вершинный атрибут. Наиболее используемые константы представлены ниже:
D3DDECLUSAGE_POSITION, D3DDECLUSAGE_NORMAL, D3DDECLUSAGE_TEXCOORD, D3DDECLUSAGE_COLOR.
И последнее, шестое поле определяет индекс для одинаковых типов вершинных атрибутов. Например, если имеется три вершинных атрибута, описанные как D3DDECLUSAGE_NORMAL, то для первого из них нужно задать индекс 0, для второго – 1, для третьего – 2. Ниже приведен пример описания вершины, содержащей положение и цвет с помощью массива элементов D3DVertexElement9.
| C++ |
D3DVERTEXELEMENT9 declaration[] = {
{ 0, 0, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT,
D3DDECLUSAGE_POSITION, 0 },
{ 0, 12, D3DDECLTYPE_D3DCOLOR, D3DDECLMETHOD_DEFAULT,
D3DDECLUSAGE_COLOR, 0 },
D3DDECL_END() }; |
| Pascal |
declaration: array [0..2] of TD3DVertexElement9 = (
(Stream: 0; Offset: 0; _Type: D3DDECLTYPE_FLOAT3;
Method: D3DDECLMETHOD_DEFAULT; Usage: D3DDECLUSAGE_POSITION;
UsageIndex: 0),
(Stream: 0; Offset: 12; _Type: D3DDECLTYPE_D3DCOLOR;
Method: D3DDECLMETHOD_DEFAULT; Usage: D3DDECLUSAGE_COLOR;
UsageIndex: 0),
(Stream: $FF; Offset: 0; _Type: D3DDECLTYPE_UNUSED;
Method: TD3DDeclMethod(0); Usage: TD3DDeclUsage(0);
UsageIndex: 0) ); |
После описания формата вершины требуется получить указатель на интерфейс IDirect3DVertexDeclaration9. Это реализуется через вызов метода CreateVertexDeclaration() интерфейса IDirect3DDevice9. Первый параметр данного метода определяет массив элементов типа D3DVERTEXELEMENT9, второй аргумент – возвращаемый результат.
| C++ |
LPDIRECT3DVERTEXDECLARATION9 VertexDeclaration = NULL; device->CreateVertexDeclaration( declaration, &VertexDeclaration ); |
| Pascal |
var VertexDeclaration: IDirect3DVertexDeclaration9; ... device.CreateVertexDeclaration( @declaration, VertexDeclaration ); |
Установка формата вершин без использования вершинных шейдеров производилась через вызов метода SetFVF(). Теперь же для этого предназначен метод SetVertexDeclaration() интерфейса IDirect3DDevice9. Как правило, данный метод вызывается в процедуре Render.
| C++ | device->SetVertexDeclaration( VertexDeclaration ); |
| Pascal | device.SetVertexDeclaration(VertexDeclaration); |
Следующий шаг – компиляция вершинного шейдера. Данный шаг реализуется с помощью вызова функции D3DXCompileShaderFromFile().
Первый параметр функции задает строку, в которой содержится имя файла вершинного шейдера.
Второй и третий параметры являются специфическими и, как правило, здесь передаются значения NULL.
Четвертый параметр – строка, определяющая название функции в шейдере или так называемая точка входа в программу.
Пятый параметр – строка, задающая версию шейдера. Для вершинных шейдеров указывают одну из следующих строковых констант: vs_1_1, vs_2_0, vs_3_0. Шестой параметр определяет набор флагов. Здесь могут быть переданы следующие константы:
D3DXSHADER_DEBUG – указание компилятору выдавать отладочную информацию;
D3DXSHADER_SKIPVALIDATION – указание компилятору не производить проверку кода шейдера на наличие ошибок;
D3DXSHADER_SKIPOPTIMIZATION – указание компилятору не производить оптимизацию кода шейдера. Можно указать значение ноль.
Седьмой параметр – переменная, типа ID3DXBuffer, которая содержит указатель на откомпилированный код шейдера.
Восьмой параметр – переменная, содержащая указатель на буфер ошибок и сообщений.
И последний, девятый параметр – переменная типа ID3DXConstantTable, в которую записывается указатель на таблицу констант. Через данный указатель производится "общение" с константами в шейдере.