Heute. Motivation. Verfügbarkeit. Programmierbare Hardware-Shader. Technische Entwicklung von Grafikhardware. Grafikpipeline (DirectX9)

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1 Heute Programmierbare Hardware-Shader Thomas Jung Architektur moderner Grafikkarten Rendering von Polygonlisten mit DirectX9 Vertex- und Pixel(Fragment) shader Motivation Spiele kommen heute kaum noch ohne Spezialeffekte aus Nahezu alle Spezialeffekte sind programmiert ( auf dem Chip ) Ansatz auch in anderen Anwendungsbereichen interessant Technische Entwicklung von Grafikhardware Zunächst Hardware nur zur Schattierung von Dreiecken ziemlich bald auch mit Texturierung Dann weitere Pipeline-Stufen in Hardware Setup, Beleuchtung, Geometrietransformation Spezialeffekte wie Bumpmapping Folge: Komplexes Design, geringe Flexibilität Heute: Freie Programmierung einzelner Hardwarekomponenten Verfügbarkeit Moderne Grafikkarten unterstützen programmierbare Shader Z. B. ab GeForce3 Karten verhalten sich unterschiedlich Unterschiedliche Leistungsdaten, Register, etc. Nicht alle Features implementiert API unter DirectX9 und unter OpenGL 2.0 Shader-Code proprietär in Assembler oder in Hochsprache ähnlich zu C OpenGL: GLSL, DirectX: HLSL Grafikpipeline (DirectX9) Entweder konventionell oder selbst programmiert (Polygone) (Transformation und Beleuchtung)

2 Funktionalitäten Phong-Shading ( Per Pixel Lighting ) ( Bump Mapping ) ( Environment Mapping ) Displacement Mapping Spezialeffekte Haare und Pelz Wasser, Gras, etc. Wellen, Wehende Fahnen, etc. Fell: Beispiel..\Samples\C++\D3D\fur\fur.cpp Beispiel (2) Bump mapping und Environment mapping..\c++\direct3d\bumpmapping\bumpwaves Nur vier Dreiecke! Environment Cube mapping Environment wird pro Bild aktualisiert! Programmierung der Hardware ermöglicht hohe Flexibilität ist sehr effizient nur relevante Daten zur Hardware übertragen ist kompliziert! Nur Programmierung von Spezialeffekten Kein Globales Beleuchtungsmodell! Programme müssen ähnlich wie Texturen umgeladen werden Zwei Programmebenen sind zu beherrschen Fixed Function Pipeline der klassische Weg Wenn kein Vertex Shader geladen wurde Die Art der Eckpunktdaten kann festgelegt werden

3 Fixed Fuction Pipeline Programmbeispiel Beschreibung des Eckpunktformats struct LVertex { FLOAT x, y, z; D3DCOLOR specular, diffuse; FLOAT tu, tv; }; const DWORD VertexFVF = (D3DFVF_XYZ D3DFVF_DIFFUSE D3DFVF_SPECULAR D3DFVF_TEX1 ); Kreieren und beschreiben eines Vertexbuffers g_d3ddevice->createvertexbuffer( 4*sizeof(LVertex), VertexFVF, D3DUSAGE_WRITEONLY, D3DPOOL_DEFAULT, &vb); LVertex * v; vb->lock( 0, 0, (BYTE**)&v, 0 ); v[0].x = 0.0f; v[0].y = 10.0; v[0].z = 10.0f; v[0].diffuse = 0xffff0000; v[0].specular = 0xff00ff00; v[0].tu = 0.0f; v[0].tv = 0.0f; v[1].x = 0.0f; v[1].y = 0.0f; v[1].z = 10.0f; v[3].tv = 0.0f; vb->unlock(); Rendern des Vertexbuffers g_d3ddevice->setfvf( VertexFVF ); g_d3ddevice->setstreamsource( 0, vb, 4*sizeof(LVertex) ); g_d3ddevice->drawprimitive( D3DPT_TRIANGLESTRIP, 0, 2); Vertex Shader Immer nur Zugriff auf einen Eckpunkt Kein Kreieren/Löschen von Eckpunkten Kein Zugriff auf die Textur (zur Zeit) Möglich sind aber z. B. Verformungen Verzerrung von Textur-Koordinaten Farbänderung pro Vertex Vertex Shader - Architektur Vertex Streams (z. (z. B. B. 16) 16) Vertex Shader Applikation Register für für Konstanten (z. (z. B. B. 96) 96) Temporäre Daten- Register (z. (z. B. B. 12) 12) Adressregister Vertex Output Register (Vier Gleitkommawerte pro (Position xyz, xyz, Texturkoordinaten, Farben ) Register) Kreieren eines Vertex Shaders TCHAR strvertexshaderpath[512]; LPD3DXBUFFER pcode; D3DVERTEXELEMENT9 decl[] = { { 0, 0, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_POSITION, 0 } D3DDECL_END() }; Was kommt rein? if ( FAILED( hr =d->createvertexdeclaration( decl, &m_pvertexdeclaration ) ) ) return hr; if ( FAILED( hr = DXUtil_FindMediaFileCb( strvertexshaderpath, Vertex sizeof(strvertexshaderpath), _T( Programm.vsh") ) ) ) return hr; Shader DWORD dwflags = 0; Programm if ( FAILED( hr = D3DXAssembleShaderFromFile( strvertexshaderpath, NULL, NULL, dwflags, &pcode, NULL ) ) ) return hr; hr =d->createvertexshader( (DWORD*)pCode->GetBufferPointer(), &m_pvertexshader ); pcode->release(); if( FAILED(hr) ) return hr; Benutzen des Vertex Shaders D3DXMATRIX mat, matview, matproj; float color[4] = {0,1.0,0,0}; D3DXMatrixMultiply( &mat, &matview, &matproj ); D3DXMatrixTranspose( &mat, &mat ); m_pd3ddevice->setvertexshaderconstantf( 0, (float*)&mat, 4 ); Konstanten m_pd3ddevice->setvertexshaderconstantf( 4, (float*)&color, 1 ); setzen m_pd3ddevice->setvertexdeclaration( m_pvertexdeclaration ); m_pd3ddevice->setvertexshader( m_pvertexshader ); m_pd3ddevice->setstreamsource( 0, m_pvb, 0, sizeof(d3dxvector3) ); m_pd3ddevice->drawprimitive( D3DPT_TRIANGLESTRIP, 0, 2); vs_1_1 v0 m4x4 opos, v0, c0 mov od0, c4 // version instruction dcl_position // define position data in register v0 // transform vertices by view/projection matrix // load constant color Programm.vsh Shader wählen Vergleich: Pixel Shader struct CUSTOMVERTEX { FLOAT x, y, z; DWORD diffusecolor; }; #define D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZ D3DFVF_DIFFUSE) CUSTOMVERTEX g_vertices[]= { // Jeweils x y z diffuse Farbe { -1.0f, -1.0f, 0.0f, 0xffff0000 }, { +1.0f, -1.0f, 0.0f, 0xff00ff00 }, { +1.0f, +1.0f, 0.0f, 0xff0000ff }, { -1.0f, +1.0f, 0.0f, 0xffffffff },}; LPD3DXBUFFER pcode; LPD3DXBUFFER perrormsgs; TCHAR strpixelshaderpath[512]; LPDIRECT3DPIXELSHADER9 m_ppixelshader; DXUtil_FindMediaFileCb( strpixelshaderpath, sizeof(strpixelshaderpath), _T("PixelShader.txt") ); D3DXAssembleShaderFromFile( strpixelshaderpath, NULL, NULL, 0, &pcode, &perrormsgs, NULL ); m_pd3ddevice->createpixelshader( (DWORD*)pCode->GetBufferPointer(), &m_ppixelshader ); m_pd3ddevice->setrenderstate( D3DRS_LIGHTING, FALSE ); m_pd3ddevice->setstreamsource( 0, m_pquadvb, sizeof(customvertex) ); m_pd3ddevice->setfvf( D3DFVF_CUSTOMVERTEX ); m_pd3ddevice->setpixelshader( m_ppixelshader ); m_pd3ddevice->drawprimitive( D3DPT_TRIANGLEFAN, 0, 2 ); ps_1_1 // version instruction PixelShader.txt mov r0,v0 // Move the diffuse vertex color to the output register.

4 Pixel Shader - Programme Pixel Shader ersetzt Texturierungseinheit der Pipeline // Contents of the file "PixelShader2.txt" // Applies a texture map to object vertices. ps_1_1 // Version instruction must be first in the file. tex t0 // Declare texture register t0 // which is loaded from stage 0. mov r0, t0 // Move the texture register data(t0) to the // output register(r0). Pixel Shader Programme(2) Blenden von Eckpunktfarbe und Textur // Contents of the file "PixelShader3.txt" ps_1_1 // version instruction tex t0 // declare texture register t0, // to be loaded from Texture Stage 0 mul r0, v0, t0 // v0*t0, then move to r0 + = Pixel Shader Programme(3) Blenden zweier Texturen (abhängig von der Eckpunktfarbe) // Contents of the file "PixelShader4.txt" ps_1_1 // Pixel shader version. tex t0 // Texture register t0 is loaded from stage 0. tex t1 // Texture register t1 is loaded from stage 1. mov r1, t1 // Move texture t1 into output register r1. lrp r0, v0, t0, r1 // Linearly interpolate between t0 and r1 // by a proportion specified in v0. Kompliziertes Beispiel Environment Bump Mapping Benötigt keinen Vertex Shader Bumpmap verändert Texturkoordinaten Vertex Shader für Erweiterung um Displacement Mapping + = Bildquellen: Basis: Texture und Bump Mapping // Farbtexturierung d->settexture(0, m_pearthtexture); d->settexturestagestate(0, D3DTSS_TEXCOORDINDEX, 0 ); d->settexturestagestate(0, D3DTSS_COLOROP, D3DTOP_SELECTARG1); d->settexturestagestate(0, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE); // Bumpmapping (Veränderung der Texturkoordinaten der Environmentmap) d->settexture(1, m_psbumpmap); d->settexturestagestate(1, D3DTSS_TEXCOORDINDEX, 1); d->settexturestagestate(1, D3DTSS_COLOROP, D3DTOP_BUMPENVMAP); d->settexturestagestate(1, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE); d->settexturestagestate(1, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_CURRENT); d->settexturestagestate(1, D3DTSS_BUMPENVMAT00, F2DW(0.5f)); Du=Du*M00+Dv*M10 d->settexturestagestate(1, D3DTSS_BUMPENVMAT01, F2DW(0.0f)); Dv=Du*M01+Dv*M11 d->settexturestagestate(1, D3DTSS_BUMPENVMAT10, F2DW(0.0f)); d->settexturestagestate(1, D3DTSS_BUMPENVMAT11, F2DW(0.5f)); Veränderung der Texturkoordinatenoffsets d->settexturestagestate(1, D3DTSS_BUMPENVLSCALE, F2DW(4.0f)); d->settexturestagestate(1, D3DTSS_BUMPENVLOFFSET, F2DW(0.0f));... Erweiterung: Environment und Displacement mapping // Environment mapping (Addition zur Farbtextur, mit durch Bumpmap veränd. Texturkoord.) d->settexture( 2, m_penvmaptexture ); d->settexturestagestate( 2, D3DTSS_TEXCOORDINDEX, 2 ); d->settexturestagestate( 2, D3DTSS_COLOROP, D3DTOP_ADD ); d->settexturestagestate( 2, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE ); d->settexturestagestate( 2, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_CURRENT ); // Displacement mapping (Veränderung der Eckpunkte anhand DM und Normalen) d->setsamplerstate(0, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE); d->setsamplerstate(d3ddmapsampler, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE); d->setsamplerstate(d3ddmapsampler, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR); d->setsamplerstate(d3ddmapsampler, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR); d->settexture(d3ddmapsampler, m_pdispmaptexture); // Besondere Stage 256 für s // Displacement mapping D3DXMATRIX m; d->setvertexshaderconstantf(0, (float*)&m, 4); float c[4] = {0.15f,0,0,0}; d->setvertexshaderconstantf(4, c, 1); d->setvertexdeclaration( m_pdispmapvertexdecl ); d->setvertexshader( m_pdispmapbumpshader ); Vertex-Shader- Konstanten für s Displacement Mapping

5 Der Vertex Shader // Displacement mapping + bump mapping shader // Float constants used: // C0 - C3 - transformation matrix // C4.x - scale factor VertexShader EarthBumpMap = asm { vs_1_1 // Input declaration dcl_position0 v0 dcl_texcoord0 v1 dcl_sample0 v2 dcl_normal0 v3 dcl_texcoord1 v4 // Vertex with 2nd set of tex coords //(for bumpmapped environment map) struct BUMPVERTEX { D3DXVECTOR3 p; D3DXVECTOR3 n; FLOAT FLOAT }; tu1, tv1; tu2, tv2; const DWORD FVF = D3DFVF_XYZ D3DFVF_NORMAL D3DFVF_TEX2; // Main function mul r0, v3, c4.x // Multiply normal by a scale factor mul r0, r0, v2.x // Multiply normal by the displacement value v0 + v3 *c4.x *v2.x add r0, v0, r0 // Add normal to position mov r0.w, v0.w // W component is taken from the input position m4x4 opos, r0, c0 // Transform new position to the projection v3 *c4.x * v2.x // space mov ot0, v4 // Copy input texture coordinates mov ot1, v4 // Copy input texture coordinates v0 mov ot2, v1 // Copy input texture coordinates }; Entwerfen von eigenen Programmen Abbilden bekannter Renderingalgorithmen auf die Möglichkeiten der Hardware statt freier Programmierung Konfiguration von Effekten Ausprobieren in Debugging-Tools Erzeugen und späteres Laden von.fx- Dateien Direkt in Visual Studio Highlevel-Werkzeuge für Designer Direkt in 3dsmax FX Composer (Nvidia) EffectEdit (DirectX9) Fx Composer (Nvidia) HLSL- Code HLSL- Code Alternativ auch CG (Nvidea) Kein GLSL Zum Vergleich: Shader in OpenGL2.1 GLuint programobj; GLuint vrtshobj; GLuint frgshobj; unsigned char *vrtshsrc = readshaderfile(vrtshfilename); unsigned char *frgshsrc = readshaderfile(frgshfilename); programobj = glcreateprogram(); vrtshobj = glcreateshader(gl_vertex_shader); frgshobj = glcreateshader(gl_fragment_shader); glshadersource(vrtshobj, 1, (const char**) &vrtshsrc, NULL); glshadersource(frgshobj, 1, (const char**) &frgshsrc, NULL); glcompileshader(vrtshobj); glcompileshader(frgshobj); glattachshader(programobj, vrtshobj); glattachshader(programobj, frgshobj); gllinkprogram(programobj); gluseprogram(programobj); Aktuelle Entwicklungen DirectX9c / Shader model 3.0 Im Wesentlichen Leistungssteigerung 6 Vertex- und 16 Pixel Pipelines (statt 4/8) statt 256 Vertex Shader Befehle statt 96 Pixel Shader Befehle 32Bit statt 24 Bit Gleitkommazahlen Dynamische Flußkontrolle (Datenabhängige Sprünge) Dadurch neue Anwendungsfelder Volumenrendering, Raytracing-Effekte, Weiche Schatten Instancing Wiederholen von Objekten mit anderen Attributen Vertex Shader erhält Zugriff auf Texturen Displacement Mapping

6 Vertex Texturen ab Vertex shader 3.0 model Punkte eines Meshes werden durch Textur verändert DirectX10 / Vertex Shader 4.0 Meist sind VertexShader nicht ausgelastet Unified-Shader-Architektur erlaubt den flexiblen Einsatz der Shader als Vertex oder Fragment Shader Geometry shader stage erlaubt die Veränderung der Eckpunktliste (Bildquelle: Nvidia, SIGRAPH 2004) Zusammenfassung Programmierung der Grafikpipeline erhöht Flexibilität Vertex Shader statt Transformation und Beleuchtung Pixel Shader statt Texturierung (und Nebel) Programmierung schwierig: Assembler oder C-ähnliche Sprachen Tools für Designer zur Konfiguration von Effekten

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