GPU编程和CG语言学习第三节（自我学习）

super1 · 发表于 2022-7-18 09:31

CG/HLSL语言的广泛应用

（知乎手机端需要移动滑块进行阅读，如有不便，还请见谅！）
<hr/>第 3 章 Shader Language
   shader language，称为着色语言，shade 在英语是阴影、颜色深浅的意思，
Wikipedia 上对 shader language 的解释为“The job of a surface shading procedure is
to choose a color for each pixel on a surface, incorporating any variations in color of
the surface itself and the effects of lights that shine on the surface(Marc Olano)”，
翻译：(着色器语言，称为着色语言，阴影在英语是阴影、颜色深浅的意思，维基百科上对着色器语言的解释为
“表面阴影过程的工作是选择每个像素的颜色，将表面本身的颜色变化和灯光的影响表面（马克奥拉诺）”
，即着色语言基于物体本身属性和光照条件，计算每个像素的颜色值。)即，shader language 基于物体
本身属性和光照条件，计算每个像素的颜色值。
   实际上这种解释具有明显的时代局限性，在 GPU 编程发展的早期，shader
language 的提出目标是加强对图形处理算法的控制，所以对该语言的定义亦针对
于此。但随着技术的进步，目前的 shader language 早已经用于通用计算研究。
   shader language 被定位为高级语言，如，HLSL 的全称是“High Level Shading
Language”，Cg 语言的全称为“C for Graphic”，并且这两种 shader language 的语
法设计非常类似于 C 语言。不过高级语言的一个重要特性是“独立于硬件”，在这
一方面 shader language 暂时还做不到，shader language 完全依赖于 GPU 构架，
这一特征在现阶段是非常明显的！任意一种 shader language 都必须基于图形硬
件，所以 GPU 编程技术的发展本质上还是图形硬件的发展。在 shader language
存在之前，展示基于图形硬件的编程能力只能靠低级的汇编语言。
目前，shader language 的发展方向是设计出在便捷性方面可以和 C++\JAVA
相比的高级语言，“赋予程序员灵活而方便的编程方式”，并“尽可能的控制渲染
过程”同时“利用图形硬件的并行性，提高算法的效率”。Shader language 目前主
要有 3 种语言：基于 OpenGL 的 GLSL，基于 Direct3D 的 HLSL，还有 NVIDIA
公司的 Cg 语言。
本章的目的是阐述 shader language 的基本原理和运行流程，首先从硬件的角
度对 Programmable Vertex Processor（可编程顶点处理器，又称为顶点着色器）
和 Programmable Fragment Processor（可编程片断处理器，又称为片断着色器）
的作用进行阐述，然后在此基础上对 vertex program 和 fragment program 进行具
体论述，最后对 GLSL、HLSL 和 Cg 进行比较。(CG 则是真正意义上的跨平台它会根据平台的不同，编译成相应的中间语言。CG 语言
平台性很大原因取决于与微软的合作这也导致 CG 语言的语法和 HLSL 非常相像，CG 语言可以
无缝移植 HLSL,但缺点是可无法完全发挥出 OpenGL 的最新特性。)
<hr/>3.1 Shader Language 原理
使用 shader language 编写的程序称之为 shader program（着色程序）。着色程
序分为两类：vertex shader program（顶点着色程序）和 fragment shader program
（片断着色程序）。为了清楚的解释顶点着色和片断着色的含义，我们首先从阐
述 GPU 上的两个组件：Programmable Vertex Processor（可编程顶点处理器，又
称为顶点着色器）和 Programmable Fragment Processor（可编程片断处理器，又
称为片断着色器）。
顶点和片段处理器被分离成可编程单元，可编程顶点处理
器是一个硬件单元，可以运行顶点程序，而可编程片段处理器则是一个可以运行
片段程序的单元。
顶点和片段处理器都拥有非常强大的并行计算能力，并且非常擅长于矩阵
（不高于 4 阶）计算，片段处理器还可以高速查询纹理信息（目前顶点处理器还
不行，这是顶点处理器的一个发展方向）。

对比上一章图3中的 GPU 渲染管线，可以看出，顶点着色器控制顶点坐标
转换过程；片段着色器控制像素颜色计算过程。这样就区分出顶点着色程序和片
段着色程序的各自分工：Vertex program 负责顶点坐标变换；Fragment program
负责像素颜色计算；前者的输出是后者的输入。
图9展示了现阶段可编程图形硬件的输入\输出。输入寄存器存放输入的图
元信息；输出寄存器存放处理后的图元信息；纹理 buffer 存放纹理数据，目前
大多数的可编程图形硬件只支持片段处理器处理纹理；从外部宿主程序输入的常
量放在常量寄存器中；临时寄存器存放着色程序在执行过程中产生的临时数据。

<hr/>3.2 Vertex Shader Program
Vertex shader program（顶点着色程序）和 Fragment shader program（片断着
色程序）分别被 Programmable Vertex Processor（可编程顶点处理器）和
Programmable Fragment Processo（可编程片断处理器）所执行。
顶点着色程序从 GPU 前端模块（寄存器）中提取图元信息（顶点位置、法
向量、纹理坐标等），并完成顶点坐标空间转换、法向量空间转换、光照计算等
操作，最后将计算好的数据传送到指定寄存器中；然后片断着色程序从中获取需
要的数据，通常为“纹理坐标、光照信息等”，并根据这些信息以及从应用程序传
递的纹理信息（如果有的话）进行每个片断的颜色计算，最后将处理后的数据送
光栅操作模块。
图 10 展示了在顶点着色器和像素着色器的数据处理流程。在应用程序中设
定的图元信息（顶点位置坐标、颜色、纹理坐标等）传递到 vertex buffer 中；纹
理信息传递到 texture buffer 中。其中虚线表示目前还没有实现的数据传递。当前
的顶点程序还不能处理纹理信息，纹理信息只能在片断程序中读入。
图 10 展示了在顶点着色器和像素着色器的数据处理流程。在应用程序中设
定的图元信息（顶点位置坐标、颜色、纹理坐标等）传递到 vertex buffer 中；纹
理信息传递到 texture buffer 中。其中虚线表示目前还没有实现的数据传递。当前
的顶点程序还不能处理纹理信息，纹理信息只能在片断程序中读入。
顶点着色程序与片断着色程序通常是同时存在，相互配合，前者的输出作为
后者的输入。不过，也可以只有顶点着色程序。如果只有顶点着色程序，那么只
对输入的顶点进行操作，而顶点内部的点则按照硬件默认的方式自动插值。例如，
输入一个三角面片，顶点着色程序对其进行 phong 光照计算，只计算三个顶点的
光照颜色，而三角面片内部点的颜色按照硬件默认的算法（Gourand 明暗处理或
者快速 phong 明暗处理）进行插值，如果图形硬件比较先进，默认的处理算法较
好（快速 phong 明暗处理），则效果也会较好；如果图形硬件使用 Gourand 明暗
处理算法，则会出现马赫带效应（条带化）。
而片断着色程序是对每个片断进行独立的颜色计算，并且算法由自己编写，
不但可控性好，而且可以达到更好的效果。
由于 GPU 对数据进行并行处理，所以每个数据都会执行一次 shader 程序程
序。即，每个顶点数据都会执行一次顶点程序；每个片段都会执行一次片段程序。

<hr/>3.3 Fragment Shader Program
片断着色程序对每个片断进行独立的颜色计算，最后输出颜色值的就是该片 41
段最终显示的颜色。可以这样说，顶点着色程序主要进行几何方面的运算，而片
段着色程序主要针对最终的颜色值进行计算。
片段着色程序还有一个突出的特点是：拥有检索纹理的能力。对于 GPU 而言，
纹理等价于数组，这意味着，如果要做通用计算，例如数组排序、字符串检索等，
就必须使用到片段着色程序。让顶点着色器也拥有检索纹理的能力，是目前的一
个研究方向。
附：什么是片断？片断和像素有什么不一样？
所谓片断就是所有的三维顶点在光栅化之后的数据集合，这些数据还没有
经过深度值比较，而屏幕显示的像素都是经过深度比较的。 <hr/>3.4 CG VS GLSL VS HLSL
(摘取Unity Shader入门精要——冯乐乐)
我们上面讲到了很多可编程的着色器阶段，如顶点着色器、片元着色器等。这些着色器的可
编程性在千，我们可以使用一种特定的语言来编写程序，就好比我们可以用C#来写游戏逻辑一样。
在可编程管线出现之前，为了编写着色器代码，开发者们学习汇编语言。为了给开发者们打
开更方便的大门，就出现了更高级的着色语言C Shading Language)。着色语言是
专门用于编写着色器的，常见的着色语言有DirectX的HLSL (High Level Shading
Language)、 OpenGL的GLSL (OpenGL Shading Language)以及NVIDIA的CG CC for Graphic)。
HLSL、GLSL、CG都是“ 高级(High-Level)&#34;语言，但这种高级是相对于汇编语言来说的，
而不是像C#相对千C的高级那样。这些语言会被编译成与机器无关的汇编语言，
也被称为中间语言(Intermediate Language, IL)。这些中间语言再交给显卡
驱动来翻译成兵正的机器语言，即GPU可以理解的语言。
GLSL的优点在千它的跨平台性它可以在Windows、Linux、 Mac甚至移动平台等多种平台
上工作，但这种跨平台性是由千OpenGL没有提供着色器编译器，而是由显卡驱动来完成着色器
的编译工作。也就是说，只要显卡驱动支待对GLSL的编译它就可以运行。这种做法的好处在千，
由于供应商完全了解自己的硬件构造，他们知道怎样做可以发挥出最大的作用。换句话说，GLSL
是依赖硬件，而非操作系统层级的。但这也意味着GLSL的编译结果将取决于硬件供应商。要知
道，世界上有很多硬件供应商-NVIDIA、ATI等，他们对GLSL的编译实现不尽相同，这可能
会造成编译结果不一致的情况，因为这完全取决于供应商的做法。
而对于HLSL. 是由微软控制着色器的编译，就算使用了不同的硬件，同一个着色器的编译
结果也是一样的（前提是版本相同）。但也因此支持HLSL的平台相对比较有限，几乎完全是微软
自己的产品，如Windows、 Xbox 360等。这是因为在其他平台上没有可以编译HLSL的编译器。 <hr/>3.5 本章小结.
(学会了CG语言相当于掌握了HLSL语言，正所谓一石二鸟！虚幻自定义材质可用HLSL编写，对于开发者来说是不错的选择，Unity shaderlab进行了封装，学习CG语言同时掌控两个游戏引擎的shader代码编写，何不乐哉？)
<hr/>Tips：
大部分的内容我都是直接摘取的，一些硬件版本的介绍我省略了，但不妨碍大家对着色器语言的理解。我个人也不排斥学习GLSL，原著中所写：语言无高低，用法有高下。着色程序中的算法才是精髓所在！

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