HLSL

HLSL (High Level Shader Language) — высокоуровневый Си-подобный язык для написания шейдеров, разработанный Microsoft и являющийся частью DirectX.

Аналоги: GLSL (OpenGL), Cg (OpenGL, Direct3D).

HLSL пришел на смену ассемблерному шейдерному языку и позиционируется как более удобный язык для разработки шейдеров. Доступен для Direct3D начиная с версии 9.0 (возможно комбинирование кода на HLSL и asm). Начиная с Direct3D10 ассемблерные вставки запрещены.

Пример кода на HLSL
В качестве простого примера рассмотрим шейдеры, производящие расчет диффузного освещения (попиксельно). От вершинного шейдера поступает нормаль, трансформированная в мировое пространство и текстурные координаты. Oт приложения поступают матрицы трансформаций, текстура и направление источника света.

//==================================================
// Вершинный шейдер
//==================================================

// константы для вершинного шейдера
//---------------------------------
float4x4 mWorldViewProj;
float4x4 mWorld;

// входные данные для вершинного шейдера
//--------------------------------------
struct VS_IN
{
  float3 pos : POSITION;
  float2 uv0 : TEXCOORD0;
  float3 normal : NORMAL;
};

// результат работы вершинного шейдера, подается на вход пиксельного
//------------------------------------------------------------------
struct VS_OUT 
{
  float4 pos : POSITION;  
  float2 uv0 : TEXCOORD0;     // текстурные координаты
  float3 normal : TEXCOORD1; // нормаль в мировом пространстве
};

// непосредственно сам шейдер
//---------------------------
void main( in VS_IN In, out VS_OUT Out )
{
  Out.pos = mul( float4(In.pos,1), mWorldViewProj );
  Out.uv0 = In.uv0;
  Out.normal = mul( In.normal, mWorld );
}

//==================================================
// Пиксельный шейдер
//==================================================

// сэмплеры
//---------
sampler2D diffuse : register (s0);

// константы
//----------
float3 Ln; // направление источника света

// пиксельный шейдер
//------------------
void main( in PS_Input In, out float4 oColor : COLOR )
{
  float  diff = dot( In.normal, Ln );
  float3 color = tex2D( diffuse, In.uv0 );

  oColor = float4( diff * color, 1.f );
}

Для сравнения код приведенного выше пиксельного шейдера на ассемблере:

    ps_2_0
    def c1, 1, 0, 0, 0
    dcl t0.xy        
    dcl t1.xyz      
    dcl_2d s0

    texld r0, t0, s0     
    dp3 r0.w, t1, c0     

    mul r0.xyz, r0, r0.w  
    mov r0.w, c1.x
    mov oC0, r0  

Краткий обзор

1. Типы данных

2. Векторы
Используя конструкцию вида vector<тип, размерность> можно создавать вектора любого из поддерживаемых типов данных.
Более распространенная форма описания выглядит как конкатенация типа и размерности, например int3 означает трехмерный вектор из целочисленных величин.
Аналогичным образом можно объявить и многомерные структуры, например матрица 4х4 может быть объявлена как float4x4 SomeMatrix;

3. Операторы
Набор операторов аналогичен операторам c++. Не используются оператор ->, а так же невозможна перегрузка операторов.

4. Структуры и классы
В HLSL имеется поддержка структур. Пример структуры (см. так же код шейдеров выше):

struct VS_IN
{
  float3 pos : POSITION;
  float2 uv0 : TEXCOORD0;
  float3 normal : NORMAL;
};

В HLSL для D3D11 введена поддержка классов и интерфейсов. Примеры:

// интерфейс материала
//---------------------
interface iBaseMaterial
{
   float3 GetAmbientColor(float2 vTexcoord);
   float3 GetDiffuseColor(float2 vTexcoord);
   int GetSpecularPower();
};

// реализация материала
//---------------------
class cBaseMaterial : iBaseMaterial
{
   float3  m_vColor;     
   int      m_iSpecPower;
   
   float3 GetAmbientColor(float2 vTexcoord) { 
      return m_vColor;
   }
      
   float3 GetDiffuseColor(float2 vTexcoord) { 
      return m_vColor;
   }

   int GetSpecularPower() { 
      return m_iSpecPower;
   }
};

Использование классов и интерфейсов в совокупности с новой возможностью динамической линковки шейдеров позволяет строить мощные системы освещения.

На момент написания статьи [11.06.09] доступна лишь preview версия D3D11 и beta SDK, которая не содержит подробной документации, но содержит примеры использования новых возможностей с комментариями.

Особенности языка

1. Семантики
В HLSL повсеместно используются семантики - средства языка, позволяющие  назначить входному или выходному параметру шейдера информацию о том, как его следует трактовать. Таким образом, например, устанавливается соответствие между результатом работы вершинного шейдера и входом пиксельного.
В примере выше для поля float3 pos структуры VS_OUT указана семантика POSITION, что означает, что вершинный шейдер должен в данное поле записать положение вершины после проецирования. Список поддерживаемых семантик:

Вершинный шейдер. Входные данные.

Семантики для системных значений (System-value semantics)
Данный набор семантик применим только в D3D10 и более поздних версиях.
Таблица аналогов некоторых семантик в D3D9 приведена ниже.

Аналоги некоторым семантикам D3D10 в D3D

Пример использования system value семантик

Рассмотрим в качестве примера код, иллюстирующий использование сематки SV_PrimitiveID для определения сторон куба. В пиксельном шейдере производится  оценка значения SV_PrimitiveID и выбирается цвет:

// Выберем 3 стороны куба и закрасим их разными цветами.
// Остальные оставим белыми.

static const float4 white = float4(1,1,1,1);
static const float4 red   = float4(1,0,0,1);
static const float4 green = float4(0,1,0,1);
static const float4 blue  = float4(0,0,1,1);

float4 main( in uint face : SV_PrimitiveID ) : SV_TARGET
{
    float4 c = white;
  
    if( face >= 0 && face <= 3 )
        c = red;
    
    if( face >= 4) && face <= 7) )
        c = green;
    
    if( face >= 8) && face <= 11) )
        c = blue;
    
    return c;
}

2. Размещение констант по регистрам вручную
Помимо прочего в HLSL присутствует возможность привязки констант к регистрам. Для этого используется ключевое слово register. С помощью него можно вручную размещать константы по регистрам. Точно так же можно размещать сэмплеры по слотам. ( строка sampler2D diffuse : register (s0); в примере ). Такая возможность может быть полезной при оптимизации шейдеров. Если не указывать регистр явно, а поручить эту работу компилятору, то данные будут размещены в регистрах по порядку. Например в коде, приведенном выше матрица mWorldViewProj займет регистры c0..c4, матрица mWordl - регистры c5..c8. Аналогично ситуация и с сэмплерами.

3. Swizzle operator
Одной из интересных особенностей языка является обращение к компонентам встроенных типов. Например, пусть у нас имеется вектор объявленный так:

  static const float3 params = float3(1,2,3);

Обратившись к нему как params.xyz, получим весктор со значением {1,2,3}. Обращение params.zyx даст результат {3,2,1},  params.zzz - {3,3,3}. Необязательно получать все 3 компоненты вектора, вариант params.xy сработает, а результатом будет вектор {1,2}.

4. Flow control
Для настройки динамического контроля исполнения кода (циклы, ветвления) есть специальный набор команд, называемых атрибутами. Их использование позволяет существенно оптимизировать код шейдера. Наиболее распространенные атрибуты:

Атрибуты для for, while

Атрибуты для if

Атрибуты для switch

Пример:
Воспользовавшись атрибутом branch можно превратить конструкцию switch в набор операторов if, причем для ее выполнения будет применено динамическое ветвление (исполняться будет только одна ветка оператора if в зависимости от условия). Таким образом код

[branch] switch(a)
{
    case 0:
        return 0; 
    case 1:
        return 1; 
    case 2:
        return 3; 
    default:
        return 6; 
}

эквивалентен следующему:

[branch] if( a == 2 )
    return 3;
else if( a == 1 )
    return 1;
else if( a == 0 )
    return 0;
else
    return 6;

Что такое HLSL?

#DirectX, #шейдеры

11 июня 2009 (Обновление: 16 фев 2011)

Комментарии [4]