顶点着色器入门（1）

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。

顶点着色器入门（1）