關于學習，中國有句古話叫“學以致用”，可見把學到的東西用于實際實踐中是多么的重要。現(xiàn)在學習Direct3D/HLSL的人非常多，教程也非常多。但是很多人不知道看完這些教程后該干什么，或者說可以怎么利用學到的知識。本文會對Direct3D/HLSL做一個簡單的介紹，講述如果將HLSL用于數(shù)字圖像處理，帶領大家一起體會HLSL的強大。

簡介.

1)Direct3D和HLSL

Direct3D是微軟開發(fā)的用于編寫Windows下高性能圖形程序的3D API。通過Direct3D，我們可以訪問高速的圖形加速卡。它是DirectX眾多成員的一部分。

HLSL 全稱High Level Shading Language 。是微軟推出Direct3D 9時的一個重要更新。所謂的Shading Language還需要從Direct3D的圖形管道說起，Direct3D在Direct3D 8以前只能工作在固定管道（Fixed Function Pipe-line）的模式下，在固定管道模式下，圖元從提交到被轉化成可以顯示的像素是按照實現(xiàn)定義好的流程和算法來完成，可以認為是固化在硬件中的死功能。

從Direct3D 8開始，Direct3D中引入了可編程管道（Programable Function Pipeline）的概念。在可編程管道中，開發(fā)人員可以自己編寫用于處理頂點和像素的程序。這些程序是運行在GPU上而不是CPU上的。在Direct3D里面，用于處理頂點的程序叫Vertex Shader，用于處理像素的叫Pixel Shader。（目前最新的Direct3D10中又引入了Geometry Shader的概念）。因為硬件的水平在進步，所以可編程管道的處理能力也在不斷的提高。根據不同的硬件能力，Shader的版本也已經有對應的不同版本。從Direct3D發(fā)布的最早的Shader Model 1.0到現(xiàn)在主流的Shader Model 3.0，可編程管道已經能提供一定范圍的通用編程能力了，這就是所謂的GPGPU。

HLSL是一種高級語言(High Level)，之對應的是Low Level Shading Language。這個低級的語言就是ASM的Shader。它是類似于匯編語言，難以編寫和維護。而HLSL則跟我們熟悉的C/C++語言非常類似。大大降低了開發(fā)人員學習的成本。HLSL本身就是微軟和nVidia聯(lián)合開發(fā)的，nVidia的版本稱為Cg，也就是C for Graphics。可想而知，它和C是有同樣的血統(tǒng)的。

本文簡要介紹了Direct3D和HLSL，如果讀者希望深入了解，請訪問MSDN等相關網站。同時關于如何在Direct3D應用程序中使用HLSL編寫的Vertex Shader和Pixel Shader，請參閱其它的教程和微軟的DirectX SDK。 

2）RenderMonkey簡介

現(xiàn)在的開發(fā)人員可能都比較熟悉IDE的工作模式，尤其是使用Visual Studio一類開發(fā)工具的Windows程序開發(fā)人員。HLSL作為一種新的語言，GPU編程作為一種新事物，目前還沒有很好的IDE能完整的支持編寫，調試一體化的工作方式。在本文我們將使用ATI的HLSL開發(fā)IDE: RenderMonkey。

RenderMonkey是由前ATI開發(fā)的，用于編寫Shader，并調試的工具。由于RenderMonkey支持插件，所以既可以編寫OpenGL的GLSL也可以編寫Direct3D的HLSL。它能支持創(chuàng)建RenderTarget，多Pass渲染，可以自由選擇用哪個shader model來編譯代碼。并能加亮顯示shader代碼。

經典的RenderMonkey界面如下圖

左邊為工作區(qū)，右邊為預覽區(qū)域。下面為信息輸出區(qū)。在左邊的工作區(qū)里可以看到。我們可以對Shader的工程進行分組，其中每一個可以獨立工作的工程稱為一個Effect。在同一時候預覽區(qū)中只能預覽當前激活的Effect。每個Effect由不同的對象組成，其中比較重要的對象如下：

1)      Pass . 這個pass就是渲染中常提到的pass.代表一遍的渲染

2)      幾何體。就是類紅色茶壺表示的，它代表在渲染中使用的幾何體。

3)      紋理對象和RenderTarget對象（用一個鉛筆表示）

4)      Shader中用到的參數(shù)，這些參數(shù)可以是自定義的，也可以是預定義的（比如當前的觀察矩陣，攝像機的位置等參數(shù)）。

5)      每個pass中用到的Shader。這些shader可以在RenderMonkey的代碼編輯器中進行編輯，并調用命令來編譯。

因為文章篇幅的關系，本文將直接使用RenderMonkey來作為演示的平臺。關于如何使用RenderMonkey，請參照RenderMonkey的幫助，或者打開RenderMonkey自帶的例子，很容易就能掌握這個工具的使用方法

 GPGPU 
    本文將要介紹的是如何用HLSL來實現(xiàn)PhotoShop的濾鏡效果，也就是說需要通過GPU來進行數(shù)字圖像處理。這是目前非常流行的GPGPU的應用的一種。

GPU是專用于處理3D圖形顯示的處理器，雖不如CPU的指令集豐富，但GPU的指令集更加有針對性，因此這就決定了GPU在犧牲了的靈活性的前提上有更快的運行速度。GPU特別適合處理那種可以大規(guī)模并行的算法，比如某些數(shù)字圖像處理算法。

因為目前我們的程序只能通過Direct3D的API才能訪問到GPU，一般我們采用Pixel Shader來進行GPGPU，所以要使用GPU來處理數(shù)據的時候，必須完成以下幾件事：

1).將數(shù)據提交給GPU

2).調用對應命令讓GPU開始處理數(shù)據

3).從GPU哪里取回處理完畢的數(shù)據。

可以通過兩種方法將數(shù)據提交到GPU，紋理和shader的參數(shù)，紋理中一般保存我們需要進行處理的數(shù)據，而shader參數(shù)則一般是用于數(shù)據處理算法需要用到的一些參數(shù)。

當數(shù)據已經準備完畢后，調用Direct3D的drawPrimitive函數(shù)在屏幕上繪制一個紋理相同大小的矩形，把GPGPU的算法寫到用于繪制這個矩形的Pixel Shader中。Direct3D開始繪制這個矩形以后，會為每一個象素調用一次整個Pixel Shader，然后把Pixel Shader的輸出寫入到RenderTarget中。因為我們繪制的矩形的大小和紋理的大小是一致的，所以輸出象素和紋理的象素可以做到一一對應的關系，也就是說紋理中的每一個象素在經過Pixel Shader的運算后被輸出掉RenderTarget里，等于對這個數(shù)據調用了一次我們需要的算法。現(xiàn)代的GPU中往往有大量的Pixel Shader處理單元，而這些處理都建立在非常快速的并行運行的基礎之上的。

經過前面的步驟，處理完的數(shù)據已經到了RenderTarget里了，我們可以事先自己創(chuàng)建一個RenderTarget（通常和輸入紋理等大）來接受步驟2中的數(shù)據，然后Lock這個RenderTarget取回數(shù)據。也可以在步驟二中可以使用一種低效率的做法，即直接把圖像繪制到屏幕上，通過Capture屏幕來得到輸出。

GPGPU簡單介紹到這里。詳細的GPGPU資料請參考www.gpgpu.org。 同時nvidia的網站和發(fā)布的SDK上也有很多關于GPGPU的例子。

接下來我們使用RenderMonkey來搭建一個用于數(shù)字圖像處理的架子，以實現(xiàn)類似PhotoShop的濾鏡效果