作者：trcj
目錄
前言
1.HLSL入門
1.1什么是著色器
1.2什么是HLSL
1.3怎么寫HLSL著色器
1.4怎么用HLSL著色器
2.頂點著色器
2.1可編程數(shù)據(jù)流模型
2.2頂點聲明
2.3用頂點著色器實現(xiàn)漸變動畫
3.像素著色器
3.1多紋理化
3.2多紋理效果的像素著色器
3.3應(yīng)用程序
4.HLSL Effect（效果框架）
4.1Effect代碼結(jié)構(gòu)
4.2用Effect實現(xiàn)多紋理化效果
結(jié)語
參考資料
本教程針對HLSL（High Level Shading Language）初學(xué)者，從應(yīng)用的角度對HLSL、頂點著色器、像素著色器和Effect效果框架進行了介紹，教程中去掉了對HLSL語法等一些細(xì)節(jié)內(nèi)容的討論，力求幫助讀者盡可能快地理解HLSL編程的概念，掌握HLSL編程的方法。
教程中部分闡述直接引用了其他文檔，這是因為這些文檔表述之精要，已經(jīng)達到了不能更改的地步，這里表示感謝。
本文檔版權(quán)為作者所有，非商業(yè)用途可免費使用，轉(zhuǎn)載請注明出處。
作者也是HLSL的初學(xué)者，教程中難免紕漏之處，望大家指正。有任何意見請發(fā)信到taoboxiang2006@yahoo.com.cn或者留言到 http://blog.csdn.net/trcj1/進行討論。
1.1什么是著色器
DirectX使用管道技術(shù)（pipeline）進行圖形渲染，其構(gòu)架如下：
圖1.1 Direct3D Graphics Pipeline
之前我們使用管道的步驟如下：
1. 設(shè)定頂點、圖元、紋理等數(shù)據(jù)信息；
2. 設(shè)定管道狀態(tài)信息；
² 渲染狀態(tài)
通過SetRenderState方法設(shè)定渲染狀態(tài)；
另外，使用以下方法設(shè)置變換、材質(zhì)和光照：
SetTransform
SetMaterial
SetLight
LightEnable
² 取樣器狀態(tài)
通過SetSamplerState方法設(shè)定取樣器狀態(tài)；
² 紋理層狀態(tài)
通過SetTextureStageState設(shè)定紋理層狀態(tài)；
3. 渲染；
這部分交由D3D管道按照之前的設(shè)定自行完成，這部分操作是D3D預(yù)先固定的，所以這種管道技術(shù)被稱為固定功能管道(fixed function pipeline)；
固定功能管道給我們編程提供了一定的靈活性，但是仍有很多效果難以通過這種方式實現(xiàn)，比如：
1. 在渲染過程中，我們要求y坐標(biāo)值大于10的頂點要被繪制到坐標(biāo)值（0，0，0）的地方，在之前的固定功能管道中，頂點被繪制的位置是在第1步即被設(shè)定好的，不可能在渲染過程中進行改變，所以是不可行的；
2. 謀頂點在紋理貼圖1上映射為點A，在紋理貼圖2上映射為點B，我們要求該頂點顏色由A、B共同決定，即：
定點顏色 = A點色彩值*0.7 + B點色彩值*0.3
這在固定管道編程中也是不可行的。
以上兩個問題都可以由可編程管道（pragrammable pipeline）來解決。
可編程管線允許用戶自定義一段可以在GPU上執(zhí)行的程序，代替固定管道技術(shù)中的Vertex Processing和Pixel Processing階段（參照圖1.1），從而在使我們在編程中達到更大的靈活性。其中替換Vertex Processing的部分叫做Vertex Shader（頂點著色器），替換Pixel Proccessing的部分叫做Pixel Shader（像素著色器），這就是我們所說的著色器Shader。
1.2什么是HLSL
Direct8.x中，著色器是通過低級著色匯編語言來編寫的，這樣的程序更像是匯編式的指令集合，由于其效率低、可讀性差、版本限制等缺點，迫切要求出現(xiàn)一門更高級的著色語言。到了Direct3D9，HLSL（High Level Shading Language，高級渲染語言）應(yīng)運而生了。
HLSL的語法非常類似于C和C++，學(xué)習(xí)起來是很方便的。
1.3怎么寫HLSL著色器
我們可以直接把HLSL著色器代碼作為一長串字符串編寫進我們的應(yīng)用程序源文件中，但是，更加方便和模塊化的方法是把著色器的代碼從應(yīng)用程序代碼中分離出來。因此，我們將著色器代碼單獨保存為文本格式，然后在應(yīng)用程序中使用特定函數(shù)將其加載進來。
下面是一個完整的HLSL著色器程序代碼，我們把它保存在BasicHLSL.txt中。該著色器完成頂點的世界變換、觀察變換和投影變幻，并將頂點顏色設(shè)定為指定的顏色。
//
// BasicHLSL.txt
//
//
// Global variable
//
matrix WVPMatrix;
vector color;
//
// Structures
//
struct VS_INPUT
{
vector position : POSITION;
};
struct VS_OUTPUT
{
vector position : POSITION;
vector color : COLOR;
};
//
// Functions
//
VS_OUTPUT SetColor(VS_INPUT input)
{
VS_OUTPUT output = (VS_OUTPUT)0;
output.position = mul(input.position, WVPMatrix);
output.color = color;
return output;
}
下面就針對上述代碼講解一下HLSL著色器程序的編寫：
1.3.1全局變量
代碼中聲明了兩個全局變量：
matrix WVPMatrix;
vector color;
變量WVPMatrix是一個矩陣類型，它包含了世界、觀察、投影的合矩陣，用于對頂點進行坐標(biāo)變換；
變量color是一個向量類型，它用于設(shè)定頂點顏色；
代碼中并沒有對全局變量進行初始化，這是因為我們對全局變量的初始化過程將在應(yīng)用程序中進行，全局變量在應(yīng)用程序中賦值而在著色器程序中使用，這是應(yīng)用程序和著色器通信的關(guān)鍵所在。具體賦值過程將在后續(xù)部分講述。
1.3.2輸入輸出
² 輸入輸出結(jié)構(gòu)
程序中定義了兩個輸入輸出結(jié)構(gòu)VS_INPUT和VS_OUTPUT
struct VS_INPUT
{
vector position : POSITION;
};
struct VS_OUTPUT
{
vector position : POSITION;
vector color : COLOR;
};
自定義的結(jié)構(gòu)可以采用任意名稱，結(jié)構(gòu)不過是一種組織數(shù)據(jù)的方式，并不是強制的，你也可以不使用，而將本程序的輸入改為：
vector position : POSITION;
² 標(biāo)志符
用于輸入輸出的變量采用用一種特殊的聲明方式：
Type VariableName : Semantic
這個特殊的冒號語法表示一個語義，冒號后面的標(biāo)志符用來指定變量的用途，如
vector position : POSITION;
其中，POSITION標(biāo)志符表明該變量表示頂點位置，另外還有諸如COLOR、NORMAL等很多表示其他意義的標(biāo)志符。
本節(jié)所說的輸入輸出其實是指著色器代碼和編譯器、GPU之間的通信，和應(yīng)用程序是無關(guān)的，所以這些變量不需要在應(yīng)用程序中進行賦值，標(biāo)志符告訴編譯器各個輸入輸出變量的用途（頂點位置、法線、顏色等），這是著色器代碼和編譯器、GPU之間通信的關(guān)鍵。
1.3.3入口函數(shù)
程序中還定義了一個函數(shù)SetColor：
OUTPUT SetColor(INPUT input)
{
VS_OUTPUT output = (VS_OUTPUT)0;
output.position = mul(input.position, WVPMatrix);
output.color = color;
return output;
}
1. 該函數(shù)以input和output類型作為輸入輸出；
2. 使全局變量WVPMatrix和input.position相乘，以完成頂點的世界、觀察、投影變換，并把結(jié)果賦值到output.position；
output.position = mul(input.position, WVPMatrix);
3. 將全局變量color的值賦給output.color；
output.color = color;
4. 在同一個著色器代碼文件中，可以有多個用戶自定義函數(shù)，因此在應(yīng)用程序中需要指定一個入口函數(shù)，相當(dāng)于windows程序的WinMain函數(shù)，本程序只包含SetColor一個函數(shù)而且它將被做為入口函數(shù)使用。
1.3.4總結(jié)
至此，一個HLSL著色器編寫完畢，渲染過程中，當(dāng)一個頂點被送到著色器時：
1. 全局變量WVPMatrix、color將在應(yīng)用程序中被賦值；
2. 入口函數(shù)SetColor被調(diào)用編譯器根據(jù)標(biāo)志符將頂點信息填充到VS_INPUT中的各個字段；
3. SetColor函數(shù)中，首先定義一個VS_OUTPUT信息，之后根據(jù)WVPMatrix和color變量完成頂點的坐標(biāo)變換和顏色設(shè)定操作，最后函數(shù)返回VS_OUTPUT結(jié)構(gòu)；
4. 編譯器將會再次根據(jù)標(biāo)志符把返回的VS_OUTPUT結(jié)構(gòu)中的各字段映射為頂點相應(yīng)的信息。
5. 頂點被送往下一個流程接受進一步處理。
上述過程中，全局變量在應(yīng)用程序中賦值而在著色器程序中使用，這是應(yīng)用程序和著色器通信的關(guān)鍵所在；標(biāo)志符告訴編譯器各個輸入輸出變量的用途（頂點位置、法線、顏色等），這是著色器代碼和編譯器、GPU之間通信的關(guān)鍵。個人認(rèn)為這是著色器中最為精義的地方:)
1.4怎么用HLSL著色器
應(yīng)用程序中對HLSL著色器的使用分為以下步驟：
1. 加載（稱為編譯更為妥當(dāng)）著色器代碼；
2. 創(chuàng)建（頂點/像素）著色器；
3. 對著色器中的變量進行賦值，完成應(yīng)用程序和著色器之間的通信。
4. 把著色器設(shè)定到渲染管道中；
本例使用的著色器是一個頂點著色器，因此我們將通過頂點著色器的使用來講解著色器的使用過程，像素著色器的使用過程與此大同小異，二者之間僅有些微差別。
1.4.1聲明全局變量
IDirect3DVertexShader9* BasicShader = 0; //頂點著色器指針
ID3DXConstantTable* BasicConstTable = 0; //常量表指針
D3DXHANDLE WVPMatrixHandle = 0;
D3DXHANDLE ColorHandle = 0;
ID3DXMesh* Teapot = 0; //指向程序中D3D茶壺模型的指針
1.4.2編譯著色器
通過D3DXCompileShaderFromFile函數(shù)從應(yīng)用程序外部的文本文件BasicHLSL.txt中編譯一個著色器：
//編譯后的著色器代碼將被放在一個buffer中，可以通過ID3DXBuffer接口對其進行訪問，之后的著色器將從這里創(chuàng)建
ID3DXBuffer* shaderBuffer = 0;
//用于接受錯誤信息
ID3DXBuffer* errorBuffer = 0;
//編譯著色器代碼
D3DXCompileShaderFromFile("BasicHLSL.txt", //著色器代碼文件名
0,
0,
"SetColor", //入口函數(shù)名稱
"vs_1_1", //頂點著色器版本號
D3DXSHADER_DEBUG,// Debug模式編譯
&shaderBuffer, //指向編譯后的著色器代碼的指針
&errorBuffer,
&BasicConstTable); //常量表指針
1.4.3創(chuàng)建著色器
應(yīng)用程序通過CreateVertexShader創(chuàng)建一個頂點著色器，注意使用了上一步得到的shaderBuffer：
g_pd3dDevice->CreateVertexShader((DWORD*)shaderBuffer->GetBufferPointer(), &BasicShader);
1.4.3對著色器中的變量進行賦值
1.3.4節(jié)說到著色器的全局變量在應(yīng)用程序中賦值而在著色器程序中使用，這是應(yīng)用程序和著色器通信的關(guān)鍵所在，這里就具體說明賦值過程。
著色器中的全局變量在編譯后都被放在一個叫常量表的結(jié)構(gòu)中，我們可以使用ID3DXConstantTable接口對其進行訪問，參照1.4.1中編譯著色器函數(shù)D3DXCompileShaderFromFile的最后一個參數(shù)，該參數(shù)即返回了指向常量表的指針。
對一個著色器中變量進行賦值的步驟如下：
1. 通過變量名稱得到指向著色器變量的句柄；
還記得在BasicHLSL.x著色器文件中我們聲明的兩個全局變量嗎：
matrix WVPMatrix;
vector color;
我們在應(yīng)用程序中相應(yīng)的聲明兩個句柄：
D3DXHANDLE WVPMatrixHandle = 0;
D3DXHANDLE ColorHandle = 0;
然后通過變量名得到分別得到對應(yīng)的兩個句柄：
WVPMatrixHandle = BasicConstTable->GetConstantByName(0, "WVPMatrix");
ColorHandle = BasicConstTable->GetConstantByName(0, "color");
2. 通過句柄對著色器變量進行賦值；
我們可以先設(shè)置各變量為默認(rèn)值：
BasicConstTable->SetDefaults(g_pd3dDevice);
之后,可以使用ID3DXConstantTable::SetXXX函數(shù)對各個變量進行賦值：
HRESULT SetXXX(
LPDIRECT3DDEVICE9 pDevice,
D3DXHANDLE hConstant,
XXX value
);
其中XXX代表變量類型，例如Matrix類型的變量就要使用SetMatrix函數(shù)賦值，而Vector類型的則要使用SetVector來賦值。
1.4.4把著色器設(shè)定到渲染管道中
這里我們使用SetVertexShader方法把頂點著色器設(shè)定到渲染管道中：
g_pd3dDevice->SetVertexShader(BasicShader);
1.4.5整個渲染過程如下
在渲染過程中，我們設(shè)定頂點的變換坐標(biāo)和顏色值，渲染代碼如下：
g_pd3dDevice->Clear( 0, NULL, D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,
D3DCOLOR_XRGB(153,153,153), 1.0f, 0 );
//開始渲染
g_pd3dDevice->BeginScene();
//得到世界矩陣、觀察矩陣和投影矩陣
D3DXMATRIX matWorld, matView, matProj;
g_pd3dDevice->GetTransform(D3DTS_WORLD, &matWorld);
g_pd3dDevice->GetTransform(D3DTS_VIEW, &matView);
g_pd3dDevice->GetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProj);
D3DXMATRIX matWVP = matWorld * matView * matProj;
//通過句柄對著色器中的WVPMatrix變量進行賦值
BasicConstTable->SetMatrix(g_pd3dDevice, WVPMatrixHandle, &matWVP);
D3DXVECTOR4 color(1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
//通過句柄對著色器中的color變量進行賦值，這里我們賦值為黃色
BasicConstTable->SetVector(g_pd3dDevice, ColorHandle, &color);
//把頂點著色器設(shè)定到渲染管道中
g_pd3dDevice->SetVertexShader(BasicShader);
//繪制模型子集
Teapot->DrawSubset(0);
//渲染完畢
g_pd3dDevice->EndScene();
g_pd3dDevice->Present(NULL, NULL, NULL, NULL);
編譯運行程序，運行效果如圖1.2所示，這里我們將頂點顏色設(shè)置為黃色，如果讀者在渲染過程中不斷變換對著色器變量color的賦值，你將會得到一個色彩不斷變幻的D3D茶壺。
D3DXVECTOR4 color(1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f); //讀者可以嘗試改變顏色值
BasicConstTable->SetVector(g_pd3dDevice, ColorHandle, &color);
圖1.2 著色器效果