C++Directx11开发笔记四：着色器之顶点着色器和像素着色器

前面我们学习了Directx 11如何在屏幕上绘制一个图形（三角形），其中涉及到着色器，我们只是使用了其中的方法，而没有讲解着色器是如何工作的，到底什么是着色器等等，今天将来了解一下着色器到底是什么！！！由于在Directx 11中包含了多种着色器，而有些着色器在一些高级的应用中才会用到，因此作为一个初学者，先了解顶点着色器和像素着色器就OK了，其它的在碰到的时候再进行深入了解。

 

着色器：

在以前的显卡中，图像的呈现就像流水线一样，不能够进行编程。不过后来GPU出现了，那样就可以计算很多东东，也就可以进行编程了，着色器就是一个可编程的例子，他通过代码传给GPU进行计算，然后通过屏幕显示出来。就像在前面的例子中，我们创建了一个缓存数据（Vertex Buffer）将三角形的坐标传给GPU。在Directx 11 SDK中，支持三种基础着色器：顶点着色器（Vertex Shader），像素着色器（Pixel Shader）【注：有些地方也就叫Fragment Shader】，以及几何着色器（Geometry Shader）。顶点着色器通过顶点作为输入数据，只要将每个顶点缓存数据传入GPU就会执行；像素着色器使用一个像素作为输入数据；而几何着色器使用基元(primitive)作为输入，基元可以是一个点，一条线或一个三角形。这三个基础着色器在呈现时都会遇到，在Direct3D 11中，GPU必须包含一个正确的顶点和像素着色器，而几何着色器是可选的，因此这也是为什么我们先了解顶点着色器和像素着色器的原因。当然在DirectX中，还包含了其他着色器，如Hull Shader，Domain Shader(域着色器)用于曲面细分（有些地方叫做镶嵌tessellation），Compute Shader用于计算。

 

顶点着色器：

顶点着色器支持编程，可以把顶点着色器看出是C语言中的一个函数，通过顶点作为参数输入这个函数，并且返回编程后的顶点信息。当程序通过顶点着色器传入顶点缓冲数据时，GPU就会迭代顶点缓冲数据，并为每一个顶点执行一次着色器函数。

顶点着色器可以用了做非常多的事情，最主要的是用了进行坐标变换等等，在Direct3D编程中会涉及到很多坐标的变换，如：将世界坐标转换为屏幕坐标等等。比如一个3D的三角形具有(0, 0, 0) (1, 0, 0) (0, 1, 0)坐标，当被绘制到2D纹理缓冲时GPU就需要知道在2D坐标系里的坐标，那样才知道需要画在什么地方。关于坐标的转换，我们后续还会遇到，这里就不进行讨论，对于前面的例子我们只需要知道传入一个顶点信息，返回一个顶点信息就OK了，具体代码如下：

1      float4 VS( float4 Pos : POSITION ) : SV_POSITION
2      {
3           return  Pos;
4      }

上面的代码就是HLSL，在前面我们也介绍了一下，他的语言像C一样，传入一个float4数据，POSITION是一个声明性字符串，而SV_POSITION具有特殊的声明意义，在HLSL中可以查询到，即是告诉绘图管线这是定义了一个坐标数据。而这个坐标就是GPU需要的知道的，也就是说在哪里绘制。

 

像素着色器：

在现代的显示器中，屏幕是有很多个正方形格子组成的，这些格式很小，我们把它叫做像素，每一个像素都包含着自己的颜色，他们之间不用相互依赖。其实当我们需要在屏幕上绘制一个三角形时，在屏幕上呈现的不切切是一个三角形，如下图所示，我们将会更好的理解。

 

 一个三角形，包含了三个顶点，通过这三个顶点连在一起，即叫做光栅化。GPU首先需要知道哪些像素需要被呈现，然后将这些需要呈现（三角形内部）像素激活并赋予颜色值，像素着色器就是为了计算哪些像素需要的颜色。像素着色器通过输入的像素颜色值，然后计算颜色并且将其返回给绘图管线。像素管线参数一般由几何着色器返回，假如没有几何着色器，比如我们上一节说说的例子，那么就通过顶点着色器返回。

顶点着色器中通过SV_POSITION声明描述创建了一个float4的值用于返回像素的坐标位置，这将作为像素着色器的输入参数，这样就告之了GPU当前坐标，而像素着色器返回的一个颜色值，即也为float4数值，并且使用SV_TARGET声明描述，以表示将用于目标的呈现格式。其代码如下所示：

1      float4 PS( float4 Pos : SV_POSITION ) : SV_Target
2      {
3           return  float4(  1.0f ,  1.0f ,  0.0f ,  1.0f  );     //  Yellow, with Alpha = 1
4      }

 

编译着色器：

着色器编写的代码即HLSL保存在一个文本文件中，可以通过Direct3D 11中的D3DX11CompileFromFile()进行编译，其代码如下所示：

1       //  Create the vertex shader
2       if ( FAILED( D3DX11CompileFromFile(  " Tutorial03.fx " , NULL, NULL,  " VS " ,  " vs_4_0 " , D3DCOMPILE_ENABLE_STRICTNESS, NULL, NULL,  & pVSBlob,  & pErrorBlob, NULL ) ) )
3           return  FALSE;
4 
5       //  Create the pixel shader
6       if ( FAILED( D3DX11CompileFromFile(  " Tutorial03.fx " , NULL, NULL,  " PS " ,  " ps_4_0 " , D3DCOMPILE_ENABLE_STRICTNESS, NULL, NULL,  & pPSBlob,  & pErrorBlob, NULL ) ) )
7           return  FALSE;

 

绑定着色器：

这样我们就可以在C++代码中通过VSSetShader() 和 PSSetShader()两个方法将顶点着色器和像素着色器绑定到管线上，当我们使用Draw方法时，将顶点缓存信息Vertex Buffer传入到绘图管线中进行绘制，这样关于顶点着色器和像素着色器就了解完毕了。

 

通过这篇文章其实就是了解到两个东东，顶点着色器是告诉管线坐标，而像素着色器是告诉管线颜色，有了这两项东西就可以绘制图形了。当然在实际需求中不可能这么便宜，书写的代码还是挺多的，最主要希望微软也能够将HLSL的言语智能提示继承到VS中，那样我想像我这种写代码的人将会带来很爽的感觉。

 

附：

Directx11管道流水线

 

曲面细分（Tessellator）：

从上面这张技术解析图，我们可以很了解到Hull Shader、Tessellator、Domain Shader这3个新单元的具体作用： Hull Shader主要负责定义细分等级（LOD）和相关控制点在细分中的“形变”趋势，需要说明的是这种形变仅仅是类似于曲率改变等小幅度的变化，而非大幅度的多边形位移； Tessellator则负责根据Hull Shader传输下来的信息，通过“暴力”增加多边形去实现Hull Shader的要求； Domain Shader负责的最重要的功能就是通过贴图控制的方式，实现模型的形变，也就是我们大家在DX11的细分曲面中看到的高细节画面。

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关于作者：网魂小兵

熟悉程序：ASP.NET(C#), C/C++,JAVASCRIPT,SQLSERVER,MYSQL...

熟悉项目：CommunityServer,JQuery,Mangos

研发项目：秘密