HLSL — Википедия
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:
|