天行健 君子當(dāng)自強(qiáng)而不息

像素著色器是一段執(zhí)行在圖形卡的GPU上的程序，它運(yùn)行在對每個(gè)像素進(jìn)行光柵化處理時(shí)。（不像頂點(diǎn)著色器，Direct3D不會(huì)以軟件模擬像素著色器的功能。）實(shí)際上它替換了固定功能管線的多紋理化階段（the multitexturing stage），并賦予我們直接操縱單獨(dú)的像素和訪問每個(gè)像素的紋理坐標(biāo)的能力。這種對像素和紋理坐標(biāo)的直接訪問使我們可以達(dá)成各種特效，例如：多紋理化（multitexturing）、每像素光照（per pixel lighting）、景深（depth of field）、云狀物模擬（cloud simulation）、焰火模擬（fire simulation）、高級陰影技術(shù)（sophisticated shadowing technique）。

圖形卡支持的像素著色器的版本可以通過D3DCAPS9結(jié)構(gòu)的PixelShaderVersion成員和D3DPS_VERSION宏進(jìn)行檢查。下列代碼片斷展示了這點(diǎn)：

18.1多紋理化概覽

多紋理化（Multitexturing）可能是用像素著色器實(shí)現(xiàn)的最簡單的技巧了。

多紋理化后面的概念有一點(diǎn)和混合（blending）相關(guān)，可以將正要被光柵化的像素與之前寫入后臺(tái)緩沖的像素進(jìn)行混合來達(dá)成一種特效。我們延伸這種相同的思想到多紋理化中（multiple texture）。也就是說，我們一次使用幾個(gè)紋理，然后定義這些紋理如何被混合在一起，以達(dá)到一種特殊效果。多紋理化的一個(gè)通常的用法是執(zhí)行光照。作為在頂點(diǎn)處理階段使用Direct3D的光照模型的替代，我們使用一種叫做“光照圖”（light map）的特殊紋理貼圖（texture map），它編碼（encode）表面是如何被光照的。例如，假設(shè)我們希望一盞聚光燈（spotlight）照在一個(gè)大木箱上，我們要么定義一個(gè)D3DLIGHT9結(jié)構(gòu)的聚光燈，要么將代表木箱的紋理貼圖與代表聚光燈的光照映射混合在一起，如圖18.1所示。

注意：結(jié)果圖像依賴于紋理被混合的方式。在固定功能管線的多紋理化階段，混合方程式被紋理渲染狀態(tài)（texture render state）控制。用像素著色器，我們能以可編程的方式在代碼中寫出混合函數(shù)的簡單表達(dá)式。這使我們可以用任何我們想要的方式混合紋理。

混合多個(gè)紋理（本例中是兩個(gè)）來照亮木箱比起Direct3D的光照來有兩個(gè)好處：

光照是是預(yù)先在聚光燈的光照貼圖里計(jì)算好的。因此，光照不需要在運(yùn)行時(shí)被計(jì)算，這節(jié)省了處理時(shí)間。當(dāng)然，只有靜態(tài)對象和靜態(tài)燈光的光照可以被預(yù)先計(jì)算。

因?yàn)楣庹請D是預(yù)先計(jì)算好的，我們能夠使用比Direct3D的（光照）模型多的多的更加精確的和成熟的光照模型。（更好的光照可以產(chǎn)生更真實(shí)的場景。）

備注：多紋理化階段的典型應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)對象的完全光照引擎（full lighting engine）。例如，我們可以用一個(gè)紋理貼圖保存對象的顏色，比如木箱的紋理貼圖。然后我們可以用一個(gè)散射光照貼圖（diffuse light map）保存散射表面著色（diffuse surface shade），一個(gè)單獨(dú)的鏡面光照貼圖保存鏡面表面著色，一個(gè)霧狀物貼圖（fog map）保存覆蓋在表面的霧狀物的總量，還有可以用一個(gè)細(xì)節(jié)貼圖（detail map）保存小的、高訪問率的表面的細(xì)節(jié)。當(dāng)所有這些紋理被組合起來，只需到這些預(yù)先計(jì)算的紋理中檢索，就可以有效的照亮、著色并且增加細(xì)節(jié)到場景中去。

注意：聚光燈光照貼圖在很基礎(chǔ)的光照貼圖中是一個(gè)價(jià)值不高（trivial）的例子。一般的的程序通過給定的場景和光源來生成光照貼圖。

18.1.1 允許多個(gè)紋理

回憶一下，紋理是用IDirect3DDevice9::SetTexture方法設(shè)置，而采樣器狀態(tài)（sampler state）是用IDirect3DDevice9::SetSamplerState方法設(shè)置，原型如下：

注意：一個(gè)特定的采樣器階段索引I關(guān)聯(lián)第i個(gè)紋理階段（texture stage）。即第i個(gè)采樣器階段指定采樣器狀態(tài)是第i集（set）紋理。

紋理/采樣器階段索引標(biāo)識(shí)了我們希望設(shè)置的紋理/采樣器的紋理/采樣器階段。因此，我們可以允許多個(gè)紋理并通過使用不同的階段索引設(shè)置其相應(yīng)的采樣器狀態(tài)。例如，假設(shè)我們要允許三個(gè)紋理，我們像這樣使用階段0,1和2：

這段代碼使用Tex1, Tex2和Tex3，并設(shè)置每個(gè)紋理的過濾模式。

18.1.2 多紋理坐標(biāo)

對于每個(gè)3D三角形，我們應(yīng)該在紋理上定義一個(gè)三角形以映射該3D三角形。我們通過對每個(gè)頂點(diǎn)增加紋理坐標(biāo)完成映射。因此，每三個(gè)頂點(diǎn)定義一個(gè)三角形，它對應(yīng)于紋理上的三角形。

現(xiàn)在使用多紋理，每三個(gè)頂點(diǎn)定義一個(gè)三角形，我們需要在每個(gè)被使用的紋理上定義一個(gè)相應(yīng)的三角形。通過給每個(gè)頂點(diǎn)增加額外的一套紋理坐標(biāo)——每個(gè)頂點(diǎn)一套，對應(yīng)于每個(gè)使用的紋理。舉個(gè)例子，如果我們混合三個(gè)紋理到一起，那么每個(gè)頂點(diǎn)必須有三套紋理坐標(biāo)以索引到三個(gè)使用的紋理。因此，一個(gè)包含三個(gè)紋理的多紋理化頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)看起來可能像這樣：

注意，指定自由頂點(diǎn)格式標(biāo)記D3DFVF_TEX3表明頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)包含3套紋理坐標(biāo)。固定功能管線支持最多8套紋理坐標(biāo)。如果多于8套，你必須使用頂點(diǎn)聲明和可編程頂點(diǎn)管線。

注意：在新版本像素著色器中，我們可以使用一套紋理坐標(biāo)集來索引多個(gè)紋理，并因此消除了對多個(gè)紋理坐標(biāo)的需要。當(dāng)然這得假設(shè)每個(gè)紋理階段使用相同的紋理坐標(biāo)。如果每個(gè)階段的紋理坐標(biāo)不同，則我們?nèi)匀恍枰嗉y理坐標(biāo)。

18.2像素著色器輸入和輸出

有兩樣?xùn)|西要輸入到像素著色器：顏色和紋理坐標(biāo)。兩樣都是以每像素為單位的。

注意：頂點(diǎn)顏色是在圖元的面（face of primitive）間進(jìn)行插值的。

每個(gè)像素的紋理坐標(biāo)就是簡單的 (u , v) ，它指定了紋理的哪個(gè)圖素被映射到像素上。在輸入到像素著色器前，Direct3D根據(jù)頂點(diǎn)顏色和頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)，為每個(gè)像素計(jì)算顏色和紋理坐標(biāo)。輸入到像素著色器的顏色和紋理坐標(biāo)的數(shù)值依賴于頂點(diǎn)著色器輸出的顏色和紋理坐標(biāo)的數(shù)值。例如，如果一個(gè)頂點(diǎn)著色器輸出了兩個(gè)顏色和三個(gè)紋理坐標(biāo)，那么Direct3D將會(huì)為每個(gè)像素計(jì)算兩個(gè)顏色和三個(gè)紋理坐標(biāo)并且把它們把它們輸入到像素著色器。我們使用帶語意的語法（semantic syntax）映射輸入顏色和紋理坐標(biāo)進(jìn)我們的著色器程序的變量里。用前面的例子，我們可以這樣寫：

對于輸出，像素著色器只輸出一個(gè)計(jì)算過的該像素的顏色值：

18.3使用像素著色器的步驟

下面的列表概述了創(chuàng)建和使用像素著色器的必要步驟：

1.        編寫并編譯像素著色器

2.        創(chuàng)建一個(gè)IDirect3DPixelShader9接口來代表基于已編譯代碼的像素著色器

3.        用IDirect3DDevice9::SetPixelShader方法允許該像素著色器

當(dāng)然，用完頂點(diǎn)著色器之后我們必須銷毀它。

18.3.1 編寫并編譯像素著色器

我們用與編譯頂點(diǎn)著色器一樣的方式編譯像素著色器。首先，我們必須編寫一個(gè)像素著色器程序， 我們用HLSL編寫我們的著色器。一旦寫好著色器代碼，我們就可以用D3DXCompileShaderFromFile函數(shù)編譯該著色器了，這個(gè)函數(shù)返回一個(gè)ID3DXBuffer指針，它包含已編譯的著色器代碼。

注意：因?yàn)槲覀兪褂玫氖窍袼刂鳎砸浀冒丫幾g目標(biāo)改成像素著色器目標(biāo)（比如：ps_2_0），而不是頂點(diǎn)著色器目標(biāo)（比如：vs_2_0）。編譯目標(biāo)通過D3DXCompileShaderFromFile函數(shù)的一個(gè)參數(shù)指定。

18.3.2 創(chuàng)建像素著色器

一旦我們編譯了著色器代碼，我們就可以獲得一個(gè)IDirect3DPixelShader的接口指針，它代表一個(gè)像素著色器，使用下面的方法：

pFunction——已編譯著色器代碼的指針

ppShader——返回一個(gè)IDirect3DPixelShader9接口的指針

例如，假設(shè)變量shader是一個(gè)包含已編譯著色器代碼的ID3DXBuffer接口指針。那么要獲得IDirect3DPixelShader9接口，我們應(yīng)該寫：

注意：重申一遍，D3DXCompileShaderFromFile是一個(gè)可以返回已編譯著色器代碼（shader）的函數(shù)。

18.3.3 建立像素著色器

在我們獲得一個(gè)代表我們的像素著色器的IDirect3DPixelShader9接口的指針之后，我們可以使用下面的方法使用它：

這個(gè)方法只接受一個(gè)參數(shù)，我們通過它傳遞一個(gè)我們希望使用的指向像素著色器的指針。

18.3.4 銷毀像素著色器

和其它所有Direct3D接口一樣，要清除這些接口，我們必須在使用完畢后調(diào)用它們的Release方法。