original address: http://www.aougu.net/html/70/n-1170.html 

寫過Direct3D程序的朋友們可能還記得，在以往，大家常為如何表現(xiàn)更多真實的材質(zhì)（如玻璃、金屬等）而發(fā)愁。最新的Direct3D中，HLSL把程序員從復雜的Shader指令集中解放出來，著力于更重要的算法。
首先，什么是Shader&什么是HLSL？

簡要地說，Shader就是一種腳本程序，相對獨立于D3D主程序，并且被編譯成顯卡的GPU指令序列在顯示芯片上跑。（你肯定想知道更多，比如這種程序用什么來寫，都要寫什么，怎么讓GPU跑這種程序等等，別著急慢慢來），這里有必要先了解一下：
AGP顯卡的渲染流程：

首先來根據(jù)下面這張圖粗略說明一下當前最普遍流行的AGP顯卡的渲染流程，甭管是nVidia還是ATI哪一邊的。

每次渲染過程（例如，在一幀畫面中畫一個饅頭的過程）都包括頂點處理（Vertex Processing）和像素處理（Pixel Processing）兩個主要功能模塊的執(zhí)行。首先，顯卡從AGP總線接收這個饅頭的頂點數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括位置、法線、貼圖坐標（如果是面包可能更需要貼圖，也就是說貼圖坐標不是必需的）等等，這些都是未經(jīng)過任何變換，也就是在物體本地空間（Object Space）下的原始坐標。每個頂點依次被送入頂點處理單元，在這里進行坐標變換、光照計算（如果是每頂點光照）等工作，變換的結(jié)果是把每個三角形變換置屏幕空間（Screen Space）下直接可用。這里用到的變換矩陣、燈光等信息都是處理每一批頂點時一次性傳給顯卡的，作為顯卡的資源。頂點處理圈定了三角形的范圍，接下來就要逐像素地填充這個三角形了。填充哪些像素是靠對頂點屏幕坐標的線性插值來決定的。像素的其他一些必要參數(shù)，如顏色，貼圖坐標等也是通過對上一步計算出來的頂點的這些屬性進行插值得到的。另外每個像素還要通過深度檢測和模板檢測決定最終是否繪制。需要繪制的像素被送進像素處理模塊，進行貼圖像素取值，貼圖混合等工作，必要的話每像素光照也在這里完成。這里貼圖等信息也是作為顯卡的資源。像素最終的處理結(jié)果被放進后備緩沖。

以往顯卡在頂點處理和像素處理過程中執(zhí)行的是一套布在硬件上的固定的程序，D3D程序員只能設置一些參數(shù)，實際上就是你調(diào)用 IDirect3DDevice::SetRenderState()時做的事，而這樣的程序在IDirect3DDevice:: DrawPrimitive()中自動執(zhí)行。那么有些事情就很難辦到，如渲染一個水晶饅頭。應為參數(shù)再多，其渲染所用到的光照公式也跑不出石膏這種東西?，F(xiàn)在的顯卡，確切的說是現(xiàn)在的Direct3D允許你寫這么一段程序替代固定的頂點處理過程和像素處理過程（記住，只是這兩個過程，跟插值什么的沒關系）。其中替換頂點處理的就叫Vertex Shader（暫時還沒有確切的中文名），替換像素處理的就叫Pixel Shader。就是開篇所說的Shader。

這樣你應該想到Shader中大概應該寫些什么了。如果還不行的話建議復習一下D3D。用什么來寫呢？
三。GPU自有GPU的指令集，以往的Shader就是用這種匯編式的指令集組成，例如：
vs_1_1

dcl_position v0

dcl_normal v1,r0, v0.x, c0

mad r2, v0.y, c1, r0

就如同匯編用多了必然出現(xiàn)C一樣，自Direct3D9.0后，一種叫HLSL（High Level Shading Language，高級渲染語言）的面向過程的Shader語言應運而生.

HLSL基礎

就像每一本編程語言的教材一樣，介紹一門語言，首先從它的數(shù)據(jù)類型，表達式，控制流這些東西說起。HLSL的這些基本語法很像C/C++，不再贅述。有些常見問題還是要說明一下，是為了讓你不會被這些牽制了全面了解Shader的腳步。

數(shù)據(jù)類型

與CPU不同，在顯卡芯片中，最小的數(shù)據(jù)吞吐單元是一個由32位浮點數(shù)組成的四元組。這一點很有道理不是，想想你在渲染過程中所有涉及到的數(shù)據(jù)，最復雜的不外乎四維坐標（x,y,z,w）或顏色（r,g,b,a），這樣GPU可以一次性處理一個四元組。而整數(shù)什么的在顯卡中被放到四元組的一個分量里使用，而很多顯卡中，整數(shù)、布爾值都不被直接支持，而是轉(zhuǎn)為浮點數(shù)使用。至于矩陣，通常用4個四元組表示一個4x4矩陣（默認情況一個四元組存儲一行，也可以指定按列存儲）其他尺寸的以此類推。

反映到程序上，一個四維向量就被聲明為float4，4維方矩陣被聲明為float4x4等等。當然，你也可以使用任意不超過4的維度的向量或矩陣，如int3，float3x3，double1。這個double1實際上就是標量了，1可以省略不寫。

紋理（Texture）&取樣器（Sampler）

這倆東西可以看作特殊類型變量。紋理就是Shader中用到的貼圖資源，這我想沒什么好說的。來解釋一下取樣器：實際上每張貼圖在使用的時候都要用一個取樣器。取樣器相當于這樣一個結(jié)構，除了保存貼圖本身數(shù)據(jù)之外，還包括過濾參數(shù)等取樣信息。通常，讀取貼圖這樣的指令接收的都是取樣器類型的參數(shù)而并非直接接收紋理貼圖。聲明及使用紋理或取樣器跟使用普通變量一樣。這里有一些初始化取樣器的方法，還是等到后面的實例中講述吧。

Semantic & Annotation

任何類型的變量（包括紋理和取樣器），我們都可以用Semantic或Annotation修飾來起到一些特殊作用。Semantic暫時翻譯成語義； Annotation暫時翻譯成注解，這是HLSL中獨特的東西。下面這兩行中，第一個變量冒號后面的POSITION就是Semantic，第二個變量后面用一對尖括號<>圈起來的表達式就是Annotation，一組<>中可以有很多個表達式。

一般來講，Semantic是告訴應用程序或D3D這個被修飾的變量是做什么用的，Annotation是告訴程序這個變量怎么用。很云山霧罩是嗎，是這樣，在應用程序代碼中，是可以調(diào)用D3D的API認出Semantic和Annotation的。例如上面這兩行，程序的邏輯就可能是這樣：首先寫主程序的甲和寫Shader的乙約定好POSITION標識該變量代表燈泡A的位置，甲在程序里寫：{燈泡A.位置 = XXX; 找到Shader中帶POSITION的變量; 給該變量賦值為燈泡A.位置; return;} 那么甲可以不知道乙在Shader中給這個要用燈泡A位置的變量起了什么名，而且乙可以在好幾個Shader中給用這個數(shù)據(jù)的變量起不同的名。然后，甲和乙再約定遇到Annotation中的“name”就將后面的字符串作為文件名建立貼圖。于是甲的程序就從Shader中讀出了一個文件名，建立了一個貼圖以供這個texture變量使用。Semantic和Annotation大概就這么用，首先要約定好各個Semantic和Annotation都是什么意思，這是up to you的，然后就是通過它們的標識來給變量賦值或作其他輔助性工作了。

既然都是做輔助說明的為什么還要分成Semantic和Annotation，我的想法是Semantic簡單方便而Annotation能干的事更多。不說這個了，無關大局。要說的是，D3D也跟我們約定了一套Semantic，它們大體上都能顧名思義,控制流

控制流，就是if…else，for，while什么的。在CPU中，這些控制流造成的實際上是指令跳轉(zhuǎn)。但在GPU中指令跳轉(zhuǎn)并不被廣泛的支持，以往的大部分顯卡只懂得按順序一句一句執(zhí)行指令。因此HLSL的編譯器可能會做出諸如展開循環(huán)、遍歷分支等等莽撞的事來適應顯卡。所以使用時要特別小心，而且不是所有情況的控制流語句都被支持。

函數(shù)

HLSL中提供了很多函數(shù)可供調(diào)用，在Direct3D 文檔 -> DirectX Graphics -> Reference -> HLSL Shader Reference -> HLSL Intrinsic Functions中有這些函數(shù)的詳細列表。也可自己寫函數(shù)用，但是在較早的Shader版本中，就像內(nèi)聯(lián)函數(shù)一樣編譯時最終要將函數(shù)展開插入到函數(shù)調(diào)用處。還有一點我想你一定會想到的就是主函數(shù)會是什么。Vertex Shader和Pixel Shader各自需要一個主函數(shù)，由程序員來指定！沒錯，程序員在Shader外部指定。