shading language 和 CG 概述

一个讲图形编程和CG的PDF，整理一下贴上来。

作者：康玉之，[email protected]

 

第3 章 Shader Language

shader language 被定位为高级语言

目前，shader language 的发展方向是设计出在便捷性方面可以和C++/JAVA相比的高级语言，“赋予程序员灵活而方便的编程方式”，并“尽可能的控制渲染过程”同时“利用图形硬件的并行性，提高算法的效率”。Shader language 目前主要有3 种语言：基于OpenGL 的GLSL，基于Direct3D 的HLSL，还有NVIDIA公司的Cg 语言。

使用shader language 编写的程序称之为shader program（着色程序）。着色程序分为两类：vertex shader program（顶点着色程序）和fragment shader program（片断着色程序）。

顶点和片段处理器都拥有非常强大的并行计算能力，并且非常擅长于矩阵（不高于4 阶）计算，片段处理器还可以高速查询纹理信息（目前顶点处理器还不行，这是顶点处理器的一个发展方向）。

顶点着色器控制顶点坐标转换过程；片段着色器控制像素颜色计算过程。这样就区分出顶点着色程序和片段着色程序的各自分工：Vertex program 负责顶点坐标变换；Fragment program负责像素颜色计算；前者的输出是后者的输入。

Vertex Shader Program

Vertex shader program（顶点着色程序）和Fragment shader program（片断着色程序）分别被Programmable Vertex Processor（可编程顶点处理器）和Programmable Fragment Processo（可编程片断处理器）所执行。

顶点着色程序从GPU 前端模块（寄存器）中提取图元信息（顶点位置、法向量、纹理坐标等），并完成顶点坐标空间转换、法向量空间转换、光照计算等操作，最后将计算好的数据传送到指定寄存器中；然后片断着色程序从中获取需要的数据，通常为“纹理坐标、光照信息等”，并根据这些信息以及从应用程序传递的纹理信息（如果有的话）进行每个片断的颜色计算，最后将处理后的数据送光栅操作模块。

可以只有顶点着色程序。如果只有顶点着色程序，那么只对输入的顶点进行操作，而顶点内部的点则按照硬件默认的方式自动插值。

而片断着色程序是对每个片断进行独立的颜色计算，并且算法由自己编写，不但可控性好，而且可以达到更好的效果。

Fragment Shader Program

片断着色程序对每个片断进行独立的颜色计算，最后输出颜色值的就是该片段最终显示的颜色。可以这样说，顶点着色程序主要进行几何方面的运算，而片段着色程序主要针对最终的颜色值进行计算。

所谓片断就是所有的三维顶点在光栅化之后的数据集合，这些数据还没有经过深度值比较，而屏幕显示的像素都是经过深度比较的。

 

第4 章 Cg 语言概述

在网上有一个名为NShader（http://nshader.codeplex.com/）的Visual Studio2008 插件，安装之后可以支持编写着色程序。

Cg 语言通常采用动态编译的方式

Cg 编译器首先将Cg 程序翻译成可被图形API（OpenGL 和Direct3D）所接受的形式，然后应用程序使用适当的OpenGL 和Direct3D 命令将翻译后的Cg 程序传递给图形处理器，OpenGL 和Direct3D 驱动程序最后把它翻译成图形处理器所需要的硬件可执行格式。

被特定的图形硬件环境或AIP 所支持的Cg 语言子集，被称为Cg Profiles。需要注意的是： profile 分为顶点程序的profile 和片段程序的profile，这是因为顶点着色器和片段着色器原本就不是工作在同一个硬件。