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
Содержание |
HLSL поддерживает скалярные типы, векторные типы, матрицы и структуры.
Пример: vector <float, 4> color;
Пример: float4 newcolor;
Пример: float oldcolor[4]
Пример: newcolor = float4(oldcolor[0], oldcolor[1], oldcolor[2], oldcolor[3])
Пример: matrix <float, 4> view_matrix;
Пример: float 4x4 view_matrix;
struct vs_input {
}; struct ps_input {
};
Операции | Операторы |
---|---|
Арифметические | -, +, *, /, % |
Инкремент, декремент | ++, -- |
Логические | \|, ?: |
Унарные | !, -, + |
Сравнения | <, >, <=, >=, ==, != |
Назначение | =, -=, +=, *=, /= |
Приведение типов | (тип) |
Запятая | , |
Член структуры | . |
Член массива | [индекс] |
if (выражение) <оператор> [else <оператор>]
В HLSL различают 3 вида циклов:
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 |
cos(x) | возвращает косинус x |
cosh(x) | возвращает гиперболический косинус 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 |
floor(x) | возвращает самое большое целое число, которое является меньше чем или равным 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 |
mul(a, b) | делает матричное умножение между a и b |
normalize(v) | возвращает нормализированный 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. |
rsqrt(x) | возвращает 1 / sqrt(x) |
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 |
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-х 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-х 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-х мерный вектор. Мип-уровень смещается на t.w до того, как производится поиск. |
texCUBE(s, t) | Чтение из кубической текстуры. s — sampler, t — 2D 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. |
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 |
Для облегчения написания шейдеров существует ряд программ, позволяющих составлять шейдеры и тут же просматривать результат
Также пиксельные шейдеры используются визуализаторами, например,
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)); }
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; }
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; }
float trunk_wobble_frequency; float4x4 view_matrix; float4x4 view_proj_matrix; float4x4 texture_matrix0; float4x4 texture_matrix1; float4x4 texture_matrix2; struct VS_OUTPUT { float4 Pos : POSITION; float3 TCoord0 : TEXCOORD0; float3 TCoord1 : TEXCOORD1; float3 TCoord2 : TEXCOORD2; float3 TCoord3 : TEXCOORD3; float3 TCoord4 : TEXCOORD4; float3 TCoord6 : TEXCOORD6; float3 TCoord7 : TEXCOORD7; }; VS_OUTPUT VS_Wood (float4 vPosition: POSITION, float3 vNormal: NORMAL) { VS_OUTPUT Out = (VS_OUTPUT) 0; float4 TransformedPshade; // Transform position to clip space Out.Pos = mul (view_proj_matrix, vPosition); // Transform Pshade (using texture matrices) and output to pixel shader TransformedPshade = mul (texture_matrix0, vPosition); Out.TCoord0 = TransformedPshade; Out.TCoord1 = mul (texture_matrix1, vPosition); Out.TCoord2 = mul (texture_matrix2, vPosition); // Create two coordinates for sampling noise volume to get wobble Out.TCoord3 = float3(trunk_wobble_frequency * TransformedPshade.z, 0.0f, 0.0f); Out.TCoord4 = float3(trunk_wobble_frequency * TransformedPshade.z + 0.5f, 0.0f, 0.0f); // Transform position and normal to eye space Out.TCoord6 = mul (view_matrix, vPosition); Out.TCoord7 = mul (view_matrix, vNormal); return Out; } float4 light_pos; float4 eye_pos; float4 light_wood_color; float4 dark_wood_color; float noise_amplitude; float trunk_wobble_amplitude; float ring_freq; sampler noise_volume; sampler pulse_train; sampler variable_specular; float4 PS_Wood (float3 Pshade0 : TEXCOORD0, float3 Pshade1 : TEXCOORD1, float3 Pshade2 : TEXCOORD2, float3 zWobble0 : TEXCOORD3, float3 zWobble1 : TEXCOORD4, float3 Peye : TEXCOORD6, float3 Neye : TEXCOORD7) : COLOR { float3 coloredNoise; float3 wobble; // Construct colored noise from three samples coloredNoise.x = tex3D (noise_volume, Pshade0); coloredNoise.y = tex3D (noise_volume, Pshade1); coloredNoise.z = tex3D (noise_volume, Pshade2); wobble.x = tex3D (noise_volume, zWobble0); wobble.y = tex3D (noise_volume, zWobble1); wobble.z = 0.5f; // Make signed coloredNoise = coloredNoise * 2.0f - 1.0f; wobble = wobble * 2.0f - 1.0f; // Scale noise and add to Pshade float3 noisyWobblyPshade = Pshade0 + coloredNoise * noise_amplitude + wobble * trunk_wobble_amplitude; float scaledDistFromZAxis = sqrt(dot(noisyWobblyPshade.xy, noisyWobblyPshade.xy)) * ring_freq; // Lookup blend factor from pulse train float4 blendFactor = tex1D (pulse_train, scaledDistFromZAxis); // Blend wood colors together float4 albedo = lerp (dark_wood_color, light_wood_color, blendFactor.x); // Compute normalized vector from vertex to light in eye space (Leye) float3 Leye = (light_pos - Peye) / length(light_pos - Peye); // Normalize interpolated normal Neye = Neye / length(Neye); // Compute Veye float3 Veye = -(Peye / length(Peye)); // Compute half-angle float3 Heye = (Leye + Veye) / length(Leye + Veye); // Compute N.H float NdotH = clamp(dot(Neye, Heye), 0.0f, 1.0f); // Scale and bias specular exponent from pulse train into decent range float k = blendFactor.z; // Evaluate (N.H)^k via dependent read float specular = tex2D (variable_s
HLSL.