HLSL着色器原理：(一）着色器基础

• 小光！小光！小光！小光！小光！
• 本文所总结视频为或许是小光从油管搬运到B站的视频：传送门
• 本篇主要汇总HLSL着色器的知识原理部分，并涉及少量必要的代码知识点，主要为知识点总结，实践部分建议参照其他Shader教程视频。
• 本文主旨补充Unity客户端编程Shader知识点。
• 我创建了一个游戏制作交流群：637959304 进群密码：(CSGO的拆包密码）欢迎各位大佬一起学习交流，不限于任何平台（U3D、UE、COCO2dx、GamesMaker等），以及欢迎编程，美术，音乐等游戏相关的任何人员一起进群学习交流。
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• 如有不对之处，欢迎指正。

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目录

着色器基础

渲染管线

顶点着色器

像素着色器

着色器配置

简单着色器制作

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着色器基础

渲染管线

• HLSL编程内容：可编程顶点处理器顶点着色器程序，可编程像素处理器像素着色器程序。
• 渲染管线工作流程：
  软件运行
  ->软件向图形库（Direct3D、OpenGL等）发送指令
  ->图形库接受3D指令->图形库将软件CPU主进程运送到GPU图形进程
  ->图形卡将指令保存到GPU Front End，数据以顶点形式交移给显卡->继续转交顶点数据给可编程顶点处理程序
  ->处理程序将顶点坐标（物体系坐标）转换为屏幕坐标。【顶点着色器在此步骤可进行植入操作】
  ->顶点处理器将处理过后的顶点（即连接各个顶点）交给图元生成
  ->图元生成器根据数据生成对应的面，并将面交予光栅化/插值单元，面被切割成显示图像像素大小（将面转换成像素集，顶点上色彩数据也对应转化）
  ->差值数据送入可编程处理器；像素着色器在此获取该数据以及CPU中的其他数据
  ->像素着色器处理完成数据，决定最终像素的颜色
  ->数据转移到光栅处理，进入帧缓冲等待被显示器显示。

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• GPU Front End：专门设计用于GPU
• 顶点着色器：1、可处理任何来自CPU发送给GPU的数据(移动顶点，改变顶点颜色，法线变换）2、准备数据给像素着色器。
• 插值：利用法线计算，将不同顶点间的像素进行着色过渡处理（如下图所示）

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• 法线：在顶点着色器中，计算还是围绕顶点的，法线与顶点存在一起方便，法线的作用很多，其中之一是根据光线与法线夹角决定此顶点光照强度，这样一个三维物体你才能感受到他是三维的，如果一个球真的是纯白的，没有任何光的强度变化，看起来就是片了。

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顶点着色器

• 结构体：推荐使用结构体编辑数据，可以一次性编辑、传递、返回所有需要的数据。
• 主要涉及数据：位置，贴图坐标，切线，法线，副法线
• 什么是UV：HLSL着色器原理：(一）着色器基础 - Sugar的博客
• 实现功能：
  1、根据输入的数据结构a2v，进行物体本地坐标到世界坐标的转换。包含法线，切线，副法线，
  2、通过矩阵计算得到法线，切线，副法线世界坐标
  3、计算光照向量以及观察向量
  4、将贴图纹理坐标转化为世界坐标
  5、计算顶点空间裁剪坐标（屏幕出现位置）

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//数据 struct a2v {         float4 position : POSITION;//位置         float2 texCoord :TEXCOORD0;//材质坐标         float3 tangent : TANGENT;//切线         float3 binormal : BINORMAL;//副法线         float3 normal : NORMAL;//法线 } struct v2f { //总共有10个寄存器，POSITION，TEXCOORD0-7，COLOR         float4 position : POSITION; //TEXCOORD0-5标注寄存器分配         float2 texCoord : TEXCOORD0;         float3 eyeVec :  TEXCOORD1;//观察者方向         float3 lightVec : TEXCOORD2;//光照向量 //世界坐标下的法线等         float3 worldNormal: TEXCOORD3;         float3 worldTangent: TEXCOORD4;         float3 worldBinormal: TEXCOORD5; }

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//mul：矩阵乘法 v2f v(a2v In,uniform float4 lightPosition {         v2f out;//顶点着色器输出结构体         //矩阵运算，WorldInverseTranspose代表从物体空间转换到世界空间坐标。         Out.worldNormal = mul(In.normal,WorldInverseTranspose).xyz;//In.normal 法线         Out.WorldTangent = mul(In.tangent,WorldInverseTranspose).xyz;//切线         Out.WorldBinormal = mul(In.Binormal,WorldInverseTranspose).xyz;//副法线         float3 worldSpacePos = mul(In.position,World);//物体空间顶点转换到世界空间        //漫反射光照和高光效果：         Out.lightVec = lightPosition - worldSpacePos;//光照向量：世界坐标下光源坐标-顶点坐标         Out.texCoord.xy = In.texCoord;//贴图，纹理坐标         Out.eyeVec = ViewInverse[3].xyz - worldSpacePos;//观察向量：顶点到观察点向量，用来计算高光效果，同光照向量用世界坐标下观察坐标-顶点坐标         Out.position = mul(In.position,WorldViewProjection);//计算顶点空间裁剪坐标，即屏幕上出现的位置         return Out;//计算结果传递给像素着色器 }

• 光照向量计算示意图

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• 观察向量示意图

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像素着色器

• 返回值为一个颜色，代表像素被渲染的结果
• 实现功能：根据顶点着色器传入数据进行计算
  1、数据处理
  2、根绝光照向量，环境光，漫反射，高光，光泽度计算返回像素的颜色

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float4 f(v2f In,uniform float4 lightColor) : COLOR//color绑定代表必须要将像素渲染到屏幕上 { //fetch the diffuse and normal maps         float4 ColorTexture = tex2D(diffuseMapSampler,In.texCoord.xy);//取出贴图上对应坐标的颜色。内置函数tex3D采样纹理贴图，In.texCoord.xy贴图坐标，即像素对应uv贴图坐标         float3 normal = tex2D(normalMaoSampler,In.texCoord).xyz * 2.0 - 1.0;//同上进行法线的采样处理。*2.0-1.0因为颜色有RGB三个维度，取值范围[0,1]，法线向量三维取值范围[-1,1],所以要把[0,1]值域映射到[-1,1]上。 //create tangent soace vectors，用于将采样得到的法向量从Tangent Space（切线空间）转换到世界空间。         float3 Nn = In.worldNormal;//取出世界坐标下法线切线         float3 Tn = In.worldTangent;//取出世界坐标下副法线方向         float3 Bn = In.worldBinormal; //offset world space normal with normal map values 法向量转到世界坐标系         float3 N = (Nn * Normal.z) + (normal.x * Bn + normal.y * -Tn);//对Tn取负数因为有的法向量绿色通道的值是切向量的反方向。         N = normalize(N);//内置函数-单位化，将N变为单位向量 //creat lighting vectors - view vector and light vector，光照向量，观察向量，法向量应长度一致         float3 V = normalize(In.eyeVec);         float3 L = normalize(In.lightVec.xyz); //lighting //ambient light环境光         float4 C = AmbientColor * ColorTexture;//AmbientColor环境光颜色，来自于用户配置         DiffuseColor *= ColorTexture;//漫反射光照         SpecularColor *= ColorTexture.a;//高光 = 高光颜色乘以纹理颜色的不透明度，以实现高光遮罩效果     //diffuse and specular light         C += lightColor * blinn2(N,L,V,DiffuseColor,SpecularColor,Glossiness);//blinn2计算漫反射和高光效果，Glossiness光泽度         return C; }

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着色器配置

• 混合两种不同渲染方式的代码教程。//对应视频1.10内容
• 可配置内容：
  1、不同版本、着色器图形硬件支持
  2、着色器类型、版本切换
• 渲染阶段：每个着色器至少配置有一个渲染阶段，每一个阶段数据会走一遍渲染管线
• 计算机根据传入深度函数来判断渲染前后关系

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简单着色器制作

• 对应视频章节1.11及其之后内容
• 过滤模式：原始尺寸位图不加过滤会有锯齿，添加过滤器后（双线性，三种线性等）会改善图片质量。（图片放大倍数为100%，一个屏幕像素对应一个图片像素。但图像像素不是100%比例，屏幕像素中心可能落在图像像素任何位置。）
• 双线性计算：采样周围四个像素数值，按照距离插值得到屏幕像素颜色以实现抗锯齿效果。
  如过图片没有正对摄像机，则需要各向异性的过滤器。如下图图三所示，x轴和y轴一格内像素数量不一致，所以y轴采样数量应大于x轴。但各向异性采样会大幅度提升采样次数，拖慢渲染速度。

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之前

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之后

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非正对相机

• 着色器实现：
  1、把坐标从物体空间转换到裁剪空间，传递UV坐标并采样漫反射贴图
  2、实现细节展示（细节贴图）：当摄像机靠近物体渲染展示更多细节
  3、漫反射光照实现

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float 4x4 mvp : WorldViewProjection<string UIWidget = "None";>; //用于将物体坐标系下坐标转换到屏幕（裁剪）坐标系下 struct app2vertex//输入结构体 {         float4 position : POSITION;//获取顶点坐标；         float2 texCoord : TEXCOORD0;//uv坐标 }; struct vertex2pixel//输出结构体 {         float4 position : POSITION;//传递顶点坐标         float2 texCoord : TEXCOORD0;//uv坐标 }; vertex2pixel vertex(app2vertex In)//顶点着色器 {         vertex2pixel Out = (vertex2pixel)0;//将输出结构体清零         Out.texCoord = In.texCoord;         Out.position = mul(In.position,mvp);         return Out; }; float4 pixel(vertex2pixel In) : COLOR {         float4 col = float4(1.0,1.0,1.0,1.0);//设置颜色为白色并返回         float4 ColorTexture = tex2D(diffuseMapSampler,In.textCoord);//tex2D为内置函数，用于采样贴图         float4 DetailTexture = tex2D(detailMapSampler,In.textCoord);//下文细节贴图内容         ColorTexture *= DetailTexture;         return ColorTexture; }; texture diffuseMap : DiffuseMap//为材质设置一个漫反射贴图 <         string name = "default_color.dds";         string UIName = "Diffuse Texture";         string texturetype = "2D";//以2D形式解析贴图 >; sampler2D diffuseMapSampler = sampler_state//采样器，位于GPU上，用于查找贴图对应位置颜色 {         Texture = ;//设置采样贴图 //过滤模式选择         MinFilter = linear;         MagFilter = linear;         MipFilter = linear; };

• 细节贴图的数据结构（通过复制diffuseMap和diffuseMapSampler后进行改动）

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texture detailMap : <         string name = "default_color.dds";         string UIName = "Detail Texture Texture";         string texturetype = "2D"; >; sampler2D detailSampler = sampler_state {         Texture = ;         MinFilter = linear;         MagFilter = linear;         MipFilter = linear; }; //用户自定义平铺次数 float tile <         string UIWidget = "spinner";//步进器控件，用于修改数值         int UIMin = 1;//代表数据最小值         int UIMax = 100;//最大值         int UIStep = 1;//步进步距         string UIName = "Detail Tile"; > = 8;//默认重复平铺的次数

• 漫反射光照原理：漫反射光照模型要求，当光源或者物体移动时，光照信息随两者位置和方向不同而更新。
  1、首先得到表面法向，以及光照向量，（表示物体表面与光源的方向，即光照向量=光原坐标-表面坐标）
  2、根据表面法相以及光照向量计算表面受光程度（用点积计算）。（如下图所示）
  3、漫反射=点积结果x表面颜色

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• 漫反射数据结构

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float4x4 world : World<string UIWidget = "None";>;//世界坐标系变换矩阵 //获取光照位置，光照颜色 float4 lightPos : POSITION <         string UIName = "Light Position";         string Object = "PointLight";         int refID = 0; > = (100.0f, 100.0f, 100.0f, 100.0f); float4 lightColor : LIGHTCOLOR <         int LightRef = 0; > = {1.0f,1.0f,1.0f,0.0f}; vertex2pixel vertex(app2vertex In) {         vertex2pixel Out = {vertex2pixel)0;         Our.position = mul(In.position,mvp);         float3 worldSpacePos = mul(In.position,world);//把顶点坐标转换到世界空间,向量必须在同坐标系才能进行计算         float3 lightVec = lightPos - worldSpacePos;//计算光照向量         float3 L = normalize(lightVec);//单位化向量，以进行点积计算 //需要先在app2vertex中定义normal法线         float3 N = In.normal;         float brightness = dot(N,L);//点积计算。如果角度超过90度，点积值为负数         float brightnessClamped = max(brightness,0); //在vertex2pixel中定义diffuse         Out.diffuse = brightnessClamped * lightColor;         return Out; } float4 pixel(vertex2pixel In) : COLOR {         float4 col = In.diffuse;         return col; }