Introduction to 3D Game Programming with DirectX 11学习笔记 6 Direct3D中的绘制（二）顶点着色器

下面是一个顶点着色器的示例，它的代码非常简单：

cbuffer cbPerObject {    float4x4 gWVP; }; void VS(float3 iPosL : POSITION,     float4 iColor : COLOR,     out float4 oPosH : SV_POSITION,     out float4 oColor : COLOR) {     // 转换到齐次裁剪空间    oPosH = mul(float4(iPosL, 1.0f), gWVP);     // 把顶点颜色直接传到像素着色器    oColor = iColor; }

着色器使用一种称为高级着色语言（High-Level Shading Language，简称HLSL）的脚本语言来编写，它的语法与C++相似，很容易就能学会。附录B提供了一些有关HLSL的简要概述。在本书中，我们将采用一种基于示例的方式讲解HLSL及着色器编程。也就是，根据贯穿本书的每个演示程序所涉及的技术讲解相关的HLSL概念。着色器通常保存在一种称为effect文件（.fx）的纯文本文件中。我们会在本章随后的小节中讨论effect文件，而现在我们主要讨论顶点着色器。

这里，顶点着色器是一个称为VS的函数。注意，你可以为顶点着色器指定任何有效的函数名。该顶点着色器包含4个参数；前两个是输入参数，后两个是输出参数（由out关键字表示）。HLSL没有类似于C++的引用和指针，所以当一个函数要返回多个值时，我们必须使用结构体或输出参数。

前两个输入参数对应于我们在顶点结构体中定义的数据成员。参数语义“:POSITION”和“:COLOR”用于将顶点结构体的数据成员映射为顶点着色器的输入参数，如图6.4所示。

图6.4 D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC数组为每个顶点元素指定了一个相关的语义，而顶点着色器的每个参数也都带有一个附加语义。语义用于建立顶点元素和顶点着色器参数之间的对应关系。

输出参数也带有附加语义（“:SV_POSITION”和“:COLOR”）。这些语义用于将顶点着色器的输出数据映射为下一阶段（几何着色器或像素着色器）的输入数据。注意，SV_POSITION是一个特殊的语义（SV表示系统值，即system value的缩写）。它用于告诉顶点着色器该元素存储的是顶点位置。顶点位置的处理方式与其他顶点属性不同，因为它涉及到一些其他属性所没有的特殊运算，比如裁剪。若不是系统值，那么输出参数的语义名称可以是任何有效的语义名称。

该顶点着色器的代码非常简单。第一行通过与一个4×4矩阵gWorldViewProj相乘，将顶点位置从局部空间变换到齐次裁剪空间，矩阵gWorldViewProj是世界矩阵、观察矩阵和投影矩阵的组合矩阵：

// 转换到齐次裁剪空间oPosH = mul(float4(iPosL, 1.0f), gWorldViewProj);

构造函数语法“float4(iPosL, 1.0f)”用于创建4D向量，它相当于“float4(iPosL.x, iPosL.y, iPosL.z, 1.0f)”；**我们知道，顶点位置是一个点而不是一个向量，所以第4个分量应设为1（即w=1）。**float2和float3分别表示2D和3D向量。矩阵变量gWorldViewProj定义在一个常量缓冲区中，我们会在下一节讨论对它进行讨论。内置函数mul用于实现向量-矩阵乘法，它为不同维数的矩阵乘法定义了多个重载版本；例如，该函数可以实现4×4矩阵乘法、3×3矩阵乘法、或者1×3向量与3×3矩阵的向量-矩阵乘法。最后一行是将输入的颜色赋值给输出参数，把颜色传递给管线的下一阶段：

oColor = iColor;

我们可以使用结构体来重写上面的顶点着色器，实现相同的功能：

cbuffer cbPerObject {     float4x4 gWVP; }; struct VS_IN {     float3 posL    : POSITION;     float4 color : COLOR; }; struct VS_OUT {     float4 posH : SV_POSITION;     float4 color : COLOR; }; VS_OUT VS(VS_IN input) {     VS_OUT output;     output.posH = mul(float4(input.posL, 1.0f), gWVP);     output.color = input.color;     return output; }

注意：当没有几何着色器时，顶点着色器至少要实现投影变换，因为当顶点离开顶点着色器时（在没有几何着色器的情况下），硬件假定顶点位于投影空间。当包含一个几何着色器时，投影工作可以转嫁到几何着色器中完成。

注意：顶点着色器（或几何着色器）不执行透视除法；它只完成投影矩阵部分。透视除法会随后由硬件完成。

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常量缓冲

在上一节的顶点着色器示例中包含如下代码：

cbuffer cbPerObject {    float4x4 gWorldViewProj; };

这段代码定义了一个称为cbPerObject的cbuffer对象（constant buffer，常量缓冲）。常量缓冲只是一个用于存储各种变量的数据块，这些变量可以由着色器来访问。在本例中，常量缓冲区只存储了一个称为gWorldViewProj的4×4矩阵，它是世界矩阵、观察矩阵和投影矩阵的组合矩阵，用于将顶点从局部空间变换到齐次裁剪空间。在HLSL中，4×4矩阵由内置的float4x4类型表示；与之类似，要定义一个3×4矩阵和一个2×2矩阵，可以分别使用float3x4和float2x2类型。顶点着色器不能修改常量缓冲中的数据，但是通过effect框架（6.9节），C++应用程序代码可以在运行时修改常量缓冲中的内容。它为C++应用程序代码和effect代码提供了一种有效的通信方式。例如，因为每个物体的世界矩阵各不相同，所以每个物体的“WVP”组合矩阵也各不相同；所以，当使用上述顶点着色器绘制多个物体时，我们必须在绘制每个物体前修改gWorldViewProj变量。

通常的建议是根据变量修改的频繁程度创建不同的常量缓冲。比如，你可以创建下面的常量缓冲：

cbuffer cbPerObject {     float4x4 gWVP; }; cbuffer cbPerFrame {     float3 gLightDirection;     float3 gLightPosition;     float4 gLightColor; }; cbuffer cbRarely {     float4 gFogColor;     float gFogStart;     float gFogEnd; };

在本例中，我们使用了3个常量缓冲区。第1个常量缓冲区存储“WVP”组合矩阵。该变量随物体而定，所以它必须在物体级别上更新。也就是，当我们每帧渲染100个物体时，每帧都要对这个变量更新100次。第2个常量缓冲存储了场景中的灯光变量。这里，我们假设要生成灯光动画，所以些变量必须在每帧中更新一次。最后一个常量缓冲存储了用于控制雾效的变量。这里，我们假设场景的雾效变化频率很低（例如，在游戏的一个特定时段中变化一次）。

对常量缓冲进行分组是为了提高运行效率。当一个常量缓冲区被更新时，它里面的所有变量都会同时更新；所以，根据它们的更新频率进行分组，可以减少不必要的更新操作，提高运行效率。