GPU程序在GameByro中的使用
引言：
GameBryo拥有一套复杂的材质系统，这套材质系统可以根据渲染对象的状态和属性生成不同的shader代码，提高了渲染流程的适应性，可以使你定义一套材质能适应多种渲染对象。同时，GameByro将shader的初始化和使用插件化，方便与美术工具集成，并且实现了平台无关性。为了实现这些目的，GameByro使用了一套复杂的机制，本文主要解析GameByro如何生成、编译并使用shader代码。
Shader
GameBryo的shader的接口封装在NiShader中，顶点数据流声明，常量表的访问，渲染状态的设置都是通过这个类（有点类似于D3Deffect）。在程序运行NiShader是由NiShaderFactory负责管理的，NiShaderFactory通过NiShaderLibrary从文件中创建shader，用全局性的map管理起来。NiShaderLibrary通过解析shader文本创建NiShader对象，并调用3D图形接口编译shader代码，将这个类以dll的形式封装，就可以作为插件来使用。NiShader类的创建可以通过解析文件来进行，也可以通过C++的类来定制，只需从NiShader上继承即可。GameByro为PC平台提供了一个NiD3DXEffectShaderLib库，这个库提供了解析shader文件和初始化shader对象的功能。用户只需按GameByro定义的格式编写shader代码的语意和注释，NiD3DXEffectShaderLibrary就会根据文本来创建NiD3Dshader对象，在应用程序中就可以通过Techinqe的名称来访问这个对象。通过这种机制，我们将shader文本文件放在相关美术工具指定的目录下，在工具中就可以使用这些shader，并且能够通过shader的语意和注释为相关参数和变量生成UI，方便美术调试。
WIN平台上的整个流程如下：
1. 应用程序在启动时会先初始化整个shader系统，接下来导入Shader解析库和加载库（dll的形式）。
2. 接下来应用程序将NiD3DShader的初始化工作委托给NiShaderLibrary来处理，NiShaderLibrary首先通过NiD3DXEffectLoader载入所有的shader文本文件，并通过NiD3DXEffectParser解析文本生成NiD3DXEffectFile对象，同时NiD3DXEffectLoader还负责将shader代码编译成二进制形式的GPU程序。
3. 最后由NiD3DXEffectTechnique负责通过NiD3DXEffectFile上的信息生成NiD3Dshader对象。
4. 所有的shader对象创建后，NiShaderLibrary的初始化就结束了，最后由NiShaderFactory负责统一管理。
材质：
NiMaterial为渲染对象生成和定义Shader,NiMaterialInstance为渲染对象分配 和Cach Shader。NiFragmentMaterial提供了一个Shader Tree框架，在它的继承类中可以使用这个框架搭建shader tree。这个机制允许NiFragmentMaterial根据对象不同的渲染状态生成不同的shader代码，Cach在内存中，并保存到磁盘文件。GameByro描述符的概念大量使用，包括前面提到的Shader解析过程也是通过描述符来传递信息。在材质系统中主要使用了NiMaterialDescriptor和NiGPUProgramDescriptor这个两个类做描述符，这两个类中保存的信息是兼容的，都是为了描述某种材质在渲染对象的某一特定渲染状态下所对应的GPU程序的特征。NiFragmentMaterial通过渲染目标的状态和属性生成NiMaterialDescriptor，并通过NiMaterialDescriptor查找匹配的shader，如果找不到，则通过shader tree生成相应的shader程序，并保存到磁盘文件中。当下一次应用程序启动时就可以通过这个文件直接创建NiShader对象。可以说通过NiFragmentMaterial生成的shader代码是为特定的渲染对象在特定的情况下量身打造的。
整个过程的详细流程如下：
1. 在每次渲染一个物体之前，NiMaterialInstance会先判断这个物体的shader程序是否需要更新，如果不需要更新，就直接返回当前Cach的NiShader；如果需要更新， NiMaterialInstance首先会根据物体的渲染状态为其生成一个NiMaterialDescriptor，然后将这个NiMaterialDescriptor和当前Cach住的NiShader进行比较，如果匹配仍然返回当前Cach的NiShader，如果不匹配，将获得shader的工作转交给NiMaterial进行。
2. NiMaterial首先通过这个NiShaderFactory 查询匹配这个NiMaterialDescriptor的NiShader，如果找不到，就通过NiMaterialDescriptor生成NiShader，同时生成一段Shader代码，并保存到以shader描述符中的特征码来命名对应的shader文件。
3. 当获得相应的NiShader对象后，NiMaterialInstance会调用NiShader的SetupGeometry接口，在这个接口中会进行顶点声明。
以下是NiMaterialInstance为Geometry选择shader的代码：
NiShader* NiMaterialInstance::GetCurrentShader(NiRenderObject* pkGeometry,
const NiPropertyState* pkState,
const NiDynamicEffectState* pkEffects)
{
if (m_spMaterial)
{
bool bGetNewShader = m_eNeedsUpdate == DIRTY;
if (m_eNeedsUpdate == UNKNOWN)
bGetNewShader = pkGeometry->GetMaterialNeedsUpdateDefault();
// Check if shader is still current
if (bGetNewShader && m_spCachedShader)
{
bGetNewShader = !m_spMaterial->IsShaderCurrent(m_spCachedShader,
pkGeometry, pkState, pkEffects, m_uiMaterialExtraData);
}
// Get a new shader
if (bGetNewShader)
{
NiShader* pkNewShader = m_spMaterial->GetCurrentShader(
pkGeometry, pkState, pkEffects, m_uiMaterialExtraData);
if (pkNewShader)
{
NIASSERT(m_spCachedShader != pkNewShader);
ClearCachedShader();
m_spCachedShader = pkNewShader;
if (!pkNewShader->SetupGeometry(pkGeometry, this))
ClearCachedShader();
}
else
{
ClearCachedShader();
}
}
m_eNeedsUpdate = UNKNOWN;
}
return m_spCachedShader;
}
如果想通过NiFragmentMaterial实现自己的shader tree就需要在NiFragmentMaterial提供的接口中实现自己拼装代码的逻辑，代码块由NiMaterialLibraryNode封装，NiMaterialLibraryNode既可以直接写C++代码来定义，也可以先写成XML脚本，再由专门的解析工具转换成C++代码。
由NiStandardMaterial生成的shader代码文件如下图所示：
文件名就是NiMaterialDescriptor的掩码，用来标识的shader代码的行为。
Shader代码的行为描述如下：
Shader description:
APPLYMODE = 1
WORLDPOSITION = 0
WORLDNORMAL = 0
WORLDNBT = 0
WORLDVIEW = 0
NORMALMAPTYPE = 0
PARALLAXMAPCOUNT = 0
BASEMAPCOUNT = 1
NORMALMAPCOUNT = 0
DARKMAPCOUNT = 0
DETAILMAPCOUNT = 0
BUMPMAPCOUNT = 0
GLOSSMAPCOUNT = 0
GLOWMAPCOUNT = 0
CUSTOMMAP00COUNT = 0
CUSTOMMAP01COUNT = 0
CUSTOMMAP02COUNT = 0
CUSTOMMAP03COUNT = 0
CUSTOMMAP04COUNT = 0
DECALMAPCOUNT = 0
FOGENABLED = 0
ENVMAPTYPE = 0
PROJLIGHTMAPCOUNT = 0
PROJLIGHTMAPTYPES = 0
PROJLIGHTMAPCLIPPED = 0
PROJSHADOWMAPCOUNT = 0
PROJSHADOWMAPTYPES = 0
PROJSHADOWMAPCLIPPED = 0
PERVERTEXLIGHTING = 1
UVSETFORMAP00 = 0
UVSETFORMAP01 = 0
UVSETFORMAP02 = 0
UVSETFORMAP03 = 0
UVSETFORMAP04 = 0
UVSETFORMAP05 = 0
UVSETFORMAP06 = 0
UVSETFORMAP07 = 0
UVSETFORMAP08 = 0
UVSETFORMAP09 = 0
UVSETFORMAP10 = 0
UVSETFORMAP11 = 0
POINTLIGHTCOUNT = 0
SPOTLIGHTCOUNT = 0
DIRLIGHTCOUNT = 0
SHADOWMAPFORLIGHT = 0
SPECULAR = 1
AMBDIFFEMISSIVE = 0
LIGHTINGMODE = 1
APPLYAMBIENT = 0
BASEMAPALPHAONLY = 0
APPLYEMISSIVE = 0
SHADOWTECHNIQUE = 0
ALPHATEST = 0
NiStanderMaterial就是根据这些掩码的数据来生成shader代码，用户可以通过重载GenerateVertexShadeTree、GeneratePixelShadeTree、CreateShader这些接口来定义自己的shader生成规则。
增加自己的渲染效果：
通过前几节我们可以了解到，想定义自己的材质，一是通过编写shader代码完成。在应用程序初始化的时候，这些shader代码会被初始化成NiShader对象，进一步的通过NiShader对象来初始化NiSingleShaderMaterial对象，并分配给渲染对象。在GameByro默认的渲染流程中，这些步骤都是自动进行的，美术只需在3DMAX插件中为几何体的材质指定Shader程序，导出到nif文件，应用程序就能正确加载并渲染；二是定义自己的NiMaterialFragment类，在类中定义如何生成shader，在应用程序运行时只要将这个类的实例指派给几何体，这个类就会自动为几何体生成shader。这两种方式对于美术人员来说，主要区别在于，采用第一种方法定义的材质，其渲染数据的设置必须严格符合shader代码中所需的数据，否则就会报错。（比如说，顶点数据流必须严格符合shader程序的定义，必须为shader中每个采样器提供格式正确的纹理）；而采用第二种方法定义的材质，就有很高的容错和适应性，但是这种容错性和适应性需要自己写代码来完成，GameByro提供的NiStanderMaterial就提供了这套完整的机制。每个贴图槽内的贴图如果你设置就会生成相应的贴图处理流程，如果不设置，就没有这张贴图的处理流程。
为了验证这个过程，笔者尝试增加了一个自己的shader特效——SubSurfaceScattering，简称3s，其原理是模拟光在半透明物体中散射的效果。由于该效果无须预处理过程，所有的贴图均来自磁盘文件，所以比较容易融合到GameByro工作流中。
笔者将在FX COMPOSER中调试通过的fx文件放入SDK中的SDK\Win32\Shaders\Data目录下，在3DMAX的材质面板选择GameByroShader，然后就可在显示shader的组合框中看到文件中定义的Techinqe，选择点击apply按钮，就会出现自定义的参数调整界面。
通过调整参数，最终得到皮肤和玉器的渲染效果如下：
皮肤
玉器
总结
GameByro的这套开发流程非常方便直观，但是美术仅能为shader程序分配静态的数据源，比如说光照图等，CubeMap等；而一些在程序中实时生成的纹理数据则无法整合到美术工具中，比如说阴影图、折射图、反射图等，这些都需要程序写代码来实现。调试起来就不大方便了。大部分情况下，我们只需要使用GameByro提供的NiStanderMaterial就可以完成大部分材质的需求，特殊的效果可以自己写shader或者通过引擎提供的shader库来完成，只有当我们需要即根据复杂的情况做很多不同的处理时，我们才需要重载NiFragmentMaterial搭建自己的shader tree。不过搭建shader tree的程序一般比较复杂，编写难度大，虽然引擎允许通过XML文件来编写材质节点，但是使用起来仍然不方便。GameByro并没有提供相关的后期处理的开发工具，后期处理的特效并不能所见即所得，这方面还需完善。
GameByro为几何体在特定的环境下生成专用的shader代码，具有一定的灵活性，但是也付出了以下代价：
l 分析几何体的属性和当前状态，为其生成shader代码的过程有性能损耗。
l Shader代码生成后会保存到磁盘文件中，这个过程如果不使用异步，可能会引起阻塞。
l 生成的NiShader对象会有内存消耗。由于GameByro默认的实现是将所有的shader文件初始化成NiShader对象，所以当游戏运行的时间久了以后会生成大量的shader文件，这时候内存的消耗可能会很可观，同时加载的时间也会增加。不过可以自己控制加载的流程，在这里进行性能优化。
作者：叶起涟漪