HLSL (HLSL)
Перейти к навигации
Перейти к поиску
HLSL (англ. High Level Shader Language) — C-подобный язык высокого уровня для программирования шейдеров.
Был создан корпорацией Microsoft и включён в пакет DirectX 9.0, выпущенный в 2002 году.
Типы данных
[править | править код]HLSL поддерживает скалярные типы, векторные типы, матрицы и структуры.
Скалярные типы
[править | править код]| Название | Характеристики типа |
|---|---|
| bool | булевый тип |
| int | 32-битовое знаковое целое |
| half | 16-битовое число с плавающей точкой |
| float | 32-битовое число с плавающей точкой |
| double | 64-битовое число с плавающей точкой |
Векторные типы
[править | править код]Примеры:
vector <float, 4> color;
float4 newcolor;
float oldcolor[4];
newcolor = float4(oldcolor[0], oldcolor[1], oldcolor[2], oldcolor[3]);
Матрицы
[править | править код]Примеры:
matrix <float, 4> view_matrix;
float 4x4 view_matrix;
Структуры
[править | править код]Примеры:
struct vs_input
{
float4 pos:POSITION;
float3 nor:NORMAL;
float2 uv:TEXCOORD0;
};
struct ps_input
{
float4 pos:POSITION;
float3 nor:NORMAL;
float2 uv:TEXCOORD0;
float CustomVar;
texture2D CustomTexture;
//и так далее… :POSITION :NORMAL и т. д. это сентиматики, о них ниже.
};
Операторы
[править | править код]| Операции | Операторы |
|---|---|
| Арифметические | -, +, *, /, % |
| Инкремент, декремент | ++, -- |
| Логические | \|, ?: |
| Унарные | !, -, + |
| Сравнения | <, >, <=, >=, ==, != |
| Назначение | =, -=, +=, *=, /= |
| Приведение типов | (тип) |
| Запятая | , |
| Член структуры | . |
| Член массива | [индекс] |
Ветвления
[править | править код]if (выражение) <оператор> [else <оператор>]
Циклы
[править | править код]В HLSL различают 3 вида циклов:
- do <оператор> while (<выражение>);
- while (<выражение>) <оператор>;
- for (<выражение1>; <выражение2>; <выражение3>) <оператор>
Функции
[править | править код]математические функции
[править | править код]| abs(x) | возвращает абсолютную величину каждого компонента x |
| acos(x) | возвращает арккосинус каждого компонента x. Каждый компонент должен быть в диапазоне [-1, 1] |
| asin(x) | возвращает арксинус каждого компонента x. Каждый компонент должен быть в диапазоне [-pi/2, pi/2] |
| atan(x) | возвращает арктангенс каждого компонента x. Каждый компонент должен быть в диапазоне [-pi/2, pi/2] |
| ceil(x) | возвращает наименьшее целое число, которое больше чем или равно x (округление вверх) |
| cos(x) | возвращает косинус x |
| cosh(x) | возвращает гиперболический косинус x |
| clamp(x, a, b) | Если x < a, то возвращает а, если x > b, то возвращает b, иначе возвращает x. |
| ddx(x) | возвращает частную производную x относительно screen-space x-координаты |
| ddy(x) | возвращает частную производную x относительно screen-space y-координаты |
| degrees(x) | Конвертирование x с радианы в градусы |
| distance(a, b) | возвращает расстояние между двумя точками a и b |
| dot(a, b) | возвращает скалярное произведение двух векторов a и b |
| exp(x) | возвращает экспоненту с основанием e, или ex |
| floor(x) | возвращает самое большое целое число, которое является меньше чем или равным x (округление вниз) |
| frac(x) | возвращает дробную часть x. |
| fwidth(x) | возвращает abs(ddx(x))+abs(ddy(x)) |
| len(v) | Векторная длина |
| length(v) | возвращает длину вектора v |
| lerp(a, b, s) | возвращает a + s (b — a) |
| log(x) | возвращает логарифм x |
| log10(x) | возвращает десятичный логарифм x |
| modf(x, out ip) | возвращает на дробную и целую части x, каждая часть имеет тот же знак, что и x |
| mul(a, b) | делает матричное умножение между a и b |
| normalize(v) | возвращает нормированный вектор v |
| pow(x, y) | возвращает xy |
| radians(x) | конвертирует x из градусов в радианы |
| reflect(i, n) | возвращает вектор отражения |
| refract(i, n, eta) | возвращает вектор преломления. |
| round(x) | возвращает ближайшее целое. |
| rsqrt(x) | возвращает 1 / sqrt(x) |
| saturate(x) | Аналогично clamp(x,0,1) |
| sin(x) | возвращает синус x. |
| sincos(x, out s, out c) | возвращает синус и косинус x |
| sinh(x) | возвращает гиперболический синус x |
| sqrt(x) | возвращает квадратный корень каждого компонента |
| step(a, x) | возвращает 1 если x >= a, иначе возвращает 0 |
| tan(x) | возвращает тангенс x |
| tanh(x) | возвращает гиперболический тангенс x |
Функции для работы с текстурами
[править | править код]| tex1D(s, t) | Чтение из одномерной текстуры s — sampler, t — скаляр. |
| tex1D(s, t, ddx, ddy) | Чтение из одномерной текстуры, с производными s — sampler, t, ddx, и ddy — скаляры. |
| tex1Dproj(s, t) | Чтение из одномерной проективной текстуры s — sampler, t — 4D вектор. t делится на t.w перед выполнением функции. |
| tex1Dbias(s, t) | Чтение из одномерной текстуры со смещением, s — sampler, t — 4-мерный вектор. Мип-уровень смещается на t.w до того, как производится поиск. |
| tex2D(s, t) | Чтение из двухмерной текстуры s — sampler, t — 2D вектор. |
| tex2D(s, t, ddx, ddy) | Чтение из двухмерной текстуры, с производными. s — sampler, t — 2D текстурные координаты. ddx, ddy- 2D вектора. |
| tex2Dproj(s, t) | Чтение из двумерной проективной текстуры. s — sampler, t — 4D вектор. t делится на t.w перед выполнением функции. |
| tex2Dbias(s, t) | Чтение из двумерной текстуры со смещением. s — sampler, t — 4-мерный вектор. Мип-уровень смещается на t.w до того, как производится поиск. |
| tex3D(s, t) | Чтение из трёхмерной текстуры. s — sampler, t — 3D вектор. |
| tex3D(s, t, ddx, ddy) | Чтение из трёхмерной текстуры, с производными. s — sampler, t — 2D текстурные координаты, ddx, ddy — 3D вектора. |
| tex3Dproj(s, t) | Чтение из трёхмерной проективной текстуры. s — sampler, t — 4D вектор. t делится на t.w перед выполнением функции. |
| tex3Dbias(s, t) | Чтение из трёхмерной текстуры со смещением. s — sampler, t — 4-мерный вектор. Мип-уровень смещается на t.w до того, как производится поиск. |
| texCUBE(s, t) | Чтение из кубической текстуры. s — sampler, t — 3D текстурные координаты. |
| texCUBE(s, t, ddx, ddy) | Чтение из кубической текстуры. s — sampler, t — 3D текстурные координаты, ddx, ddy — 3D вектора. |
| texCUBEproj(s, t) | Чтение из кубической проективной текстуры. s — sampler, t — 4D вектор. t делиться на t.w перед выполнением функции. |
| texCUBEbias(s, t) | Чтение из кубической текстуры. sampler, t — 4D вектор. Мип-уровень смещается на t.w до того, как производится поиск. |
Входящие и исходящие данные для вершинного и пиксельного шейдеров
[править | править код]Вершинные и фрагментные шейдеры имеют два типа входящих данных: varying и uniform.
Uniform — данные, которые постоянны для многократного использования в шейдере. Объявление uniform данных в HLSL можно сделать двумя способами:
1)Объявить данные как extern переменную. Например:
float4 value;
float4 main () : COLOR
{
return value;
}
2)Объявить данные через определитель uniform. Например:
float4 main (uniform float4 value) : COLOR
{
return value;
}
Uniform переменные задаются через таблицу констант. Таблица констант содержит все регистры, которые постоянно используются в шейдере.
Varying — данные, которые являются уникальными для каждого вызова шейдера. Например: позиция, нормаль и т. д. В вершинном шейдере такая семантика описывает varying данные, которые передаются из вершинного буфера, а во фрагментном шейдере — интерполированные данные, полученные из вершинного шейдера.
Основные входящие семантические типы:
| BINORMAL | Бинормаль |
|---|---|
| BLENDWEIGHT | Весовой коэффициент |
| BLENDINDICES | Индекс весовой матрицы |
| COLOR | Цвет |
| NORMAL | Нормаль |
| POSITION | Позиция |
| PSIZE | Размер точки |
| TANGENT | Тангент |
| TESSFACTOR | Фактор тесселяции |
| TEXCOORD | Текстурные координаты |
Использование varying данных во фрагментном шейдере определяет состояние одного фрагмента. Основные входящие семантические типы:
| COLOR | Цвет |
|---|---|
| TEXCOORD | Текстурные координаты |
Исходящие данные для вершинного шейдера:
| POSITION | Позиция |
|---|---|
| PSIZE | Размер точки |
| FOG | Коэффициент «туманности» для вершины |
| COLOR | Цвет |
| TEXCOORD | Текстурные координаты |
Исходящие данные для фрагментного шейдера:
| COLOR | Цвет |
|---|---|
| DEPTH | Значение глубины |
Программы для создания шейдеров
[править | править код]Для облегчения написания шейдеров существует ряд программ, позволяющих составлять шейдеры и тут же просматривать результат
- RenderMonkey от ATI (ATI 3D Application Research Group)
- ShaderWorks от Mad Software Inc
- FXComposer от Nvidia
- Shader Config
Также пиксельные шейдеры используются визуализаторами, например,
Примеры
[править | править код] | Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы литературного русского языка. |
Простейший шейдер «Texture mapping»
[править | править код]Код в этом листинге работает в ATI Rendermonkey и Nvidia FX composer. Для использования в кастомном движке нужно указать SamplerState и technique.
/* ========== ВЕРШИННЫЙ ШЕЙДЕР ========== */
/* world_matrix, view_matrix, proj_matrix необходимо получить из приложения, установив константы шейдера.
Константы шейдера загружаются в регистры. */
float4x4 world_matrix; // мировая матрица
float4x4 view_matrix; // матрица вида
float4x4 proj_matrix; // матрица проекции
struct VS_OUTPUT // экземпляр этой структуры будет возвращать вершинный шейдер
{
float4 Pos: POSITION0; /* POSITION0 и TEXCOORD0 - семантики, обозначающие слоты, из которых пиксельный
шейдер будет в дальнейшем получать данные. Семантики, указанные здесь должны совпадать с семантиками во
входных данных пиксельного шейдера. Имена переменных и их порядок может различаться.*/
float2 TexCoord: TEXCOORD0;
};
VS_OUTPUT VS_Main(float4 InPos: POSITION0, float2 InTexCoord : TEXCOORD0) /* Вершинный шейдер выполняется
для каждой вершины выводимого объекта. InPos и InTexCoord получены из данных stream-mapping'a */
{
VS_OUTPUT Out;
float4x4 worldViewProj_matrix = mul(world_matrix, view_matrix);
worldViewProj_matrix = mul(worldViewProj_matrix, proj_matrix);
Out.Pos = mul(InPos, worldViewProj_matrix); // трансформируем вершину в clip-space
Out.TexCoord = InTexCoord; // текстурные координаты мы получаем извне, ничего модифицировать не нужно
return Out;
}
/* ========== ПИКСЕЛЬНЫЙ ШЕЙДЕР ========== */
sampler2D baseMap; // sampler2D - специальный слот "текстурный слот" в который можно загрузить текстуру.
float4 PS_Main(float2 texCoord: TEXCOORD0) : COLOR0 /* пиксельный шейдер всегда возвращает цвет выводимого
пикселя с семантикой COLOR0 в формате float4. Пиксельный шейдер выполняется для каждого пикселя выводимого
на экран изображения (а не для каждого текселя текстуры) */
{
return tex2D( baseMap, texCoord ); /* tex2d(sampler2D, float2) читает из текстурного сэмплера
(из текстуры) цвет её текселя с заданными текстурными координатами. Это и будет цвет выводимого пикселя. */
}
Простой шейдер «Головокружение»
[править | править код]
float4x4 view_proj_matrix: register(c0);
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos: POSITION;
float2 texCoord: TEXCOORD0;
};
VS_OUTPUT VS_Dizzy(float4 Pos: POSITION)
{
VS_OUTPUT Out;
Pos.xy = sign(Pos.xy);
Out.Pos = float4(Pos.xy, 0, 1);
Out.texCoord = Pos.xy;
return Out;
}
float time_0_X: register(c0);
float rings: register(c1);
float speed: register(c2);
float exponent: register(c3);
float4 PS_Dizzy(float2 texCoord: TEXCOORD0) : COLOR
{
float ang = atan2(texCoord.x, texCoord.y);
float rad = pow(dot(texCoord, texCoord), exponent);
return 0.5 * (1 + sin(ang + rings * rad + speed * time_0_X));
}
Шейдер, имитирующий электрический разряд
[править | править код]
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos: POSITION;
float2 texCoord: TEXCOORD;
};
VS_OUTPUT VS_Electricity(float4 Pos: POSITION)
{
VS_OUTPUT Out;
// Clean up inaccuracies
Pos.xy = sign(Pos.xy);
Out.Pos = float4(Pos.xy, 0, 1);
Out.texCoord = Pos.xy;
return Out;
}
float4 color: register(c1);
float glowStrength: register(c2);
float height: register(c3);
float glowFallOff: register(c4);
float speed: register(c5);
float sampleDist: register(c6);
float ambientGlow: register(c7);
float ambientGlowHeightScale: register(c8);
float vertNoise: register(c9);
float time_0_X: register(c0);
sampler Noise: register(s0);
float4 PS_Electricity(float2 texCoord: TEXCOORD) : COLOR
{
float2 t = float2(speed * time_0_X * 0.5871 - vertNoise * abs(texCoord.y), speed * time_0_X);
// Sample at three positions for some horizontal blur
// The shader should blur fine by itself in vertical direction
float xs0 = texCoord.x - sampleDist;
float xs1 = texCoord.x;
float xs2 = texCoord.x + sampleDist;
// Noise for the three samples
float noise0 = tex3D(Noise, float3(xs0, t));
float noise1 = tex3D(Noise, float3(xs1, t));
float noise2 = tex3D(Noise, float3(xs2, t));
// The position of the flash
float mid0 = height * (noise0 * 2 - 1) * (1 - xs0 * xs0);
float mid1 = height * (noise1 * 2 - 1) * (1 - xs1 * xs1);
float mid2 = height * (noise2 * 2 - 1) * (1 - xs2 * xs2);
// Distance to flash
float dist0 = abs(texCoord.y - mid0);
float dist1 = abs(texCoord.y - mid1);
float dist2 = abs(texCoord.y - mid2);
// Glow according to distance to flash
float glow = 1.0 - pow(0.25 * (dist0 + 2 * dist1 + dist2), glowFallOff);
// Add some ambient glow to get some power in the air feeling
float ambGlow = ambientGlow * (1 - xs1 * xs1) * (1 - abs(ambientGlowHeightScale * texCoord.y));
return (glowStrength * glow * glow + ambGlow) * color;
}
Пластилиновая модель
[править | править код]
float4x4 view_proj_matrix: register(c0);
float4 view_position: register(c4);
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos: POSITION;
float3 normal: TEXCOORD0;
float3 viewVec: TEXCOORD1;
};
VS_OUTPUT VS_Plastic(float4 Pos: POSITION, float3 normal: NORMAL)
{
VS_OUTPUT Out;
Out.Pos = mul(view_proj_matrix, Pos);
Out.normal = normal;
Out.viewVec = view_position - Pos;
return Out;
}
float4 color: register(c0);
float4 PS_Plastic(float3 normal: TEXCOORD0, float3 viewVec: TEXCOORD1) : COLOR
{
float v = 0.5 * (1 + dot(normalize(viewVec), normal));
return v * color;
}
Ссылки
[править | править код]- Программирование шейдеров на HLSL. / Графика / Статьи / Программирование игр / GameDev.ru — Разработка игр
- Шейдерная революция Nvidia: десять лет спустя
 | Для улучшения этой статьи желательно:
|