顶点着色器VertexShader

什么是顶点着色器？

• 顶点着色器是一组指令代码，这组指令代码在顶点被渲染时执行。
• 同一时间内，只能激活一个顶点着色器。
• 每个源顶点着色器最多拥有128条指令（DirextX8.1），而在DirectX9，则可以达到256条。

为什么大家要使用顶点着色器？

• 顶点着色器可以提高渲染场景速度(直接由显卡自动调用，无需人为干预)。
• 用顶点着色器你可以做布类仿真，高级别动画，实时修改透视效果（比如水底效果），高级光亮（需要像素着色器支持）

顶点着色器如何运作？

当渲染一个顶点时，API会执行你在顶点着色器中所写的指令。依靠这种方法，你可以自己控制每个顶点，包括渲染，确定位置，是否显示在屏幕上。

如何创建一个顶点着色器？

　　用一个文本编辑器就可以了！我建议你们使用notepad或者vs开发环境来创建和修改着色器。另外，必须拥有一个支持可编程着色器的显卡。写完着色器后，保存他。API就可以调用他了（Direct3D或OpenGL）。API通过一些函数来调用这些代码指令到硬件中

Vertex Shader（顶点着色器）是针对每个顶点进行操作的，它的输入是一个顶点，包含用户指定的顶点的基本信息，输出是该顶点转换后的信息。
最常见的顶点着色器即对顶点的位置坐标、纹理坐标、法线等信息进行变换，并返回新的顶点，传递给下一个阶段。一般针对顶点着色器的输入与输出，程序员各指定相应的结构来存储相应的顶点信息，如：

struct VertexIn  
{  
    float3  pos     : POSITION;  
    float4  color   : COLOR;  
};

就是一个简单的输入结构，float3和float4是HLSL内置类型，即用来存放3个float和4个float，此外还有其他很多类型诸如float4x4（4x4矩阵）等，详细可参考HLSL相关资料。pos和color即相应的成员变量名，”POSITION”和”COLOR”，同来对相应的成员变量进行语义说明，”POSITION”很显然指位置坐标，”COLOR”即顶点的颜色。这些语义说明在C++程序中创建输入布局（InputLayout）时会用来，并且必须要一致，这个在本文稍后介绍InputLayout时还会解释。

struct VertexOut  
{  
   float4 posH : SV_POSITION;  
   float4 color : COLOR;  
};

这个结构即顶点着色器的输出结构，与输入基本类似，但pos对应地变成了float4类型，这个是齐次坐标下的位置，即经过投影变换后的坐标，这时的顶点坐标必须是float4类型，还有一点重要的是，它对应的语义说明SV_POSITION，也是固定的，”SV“即”System Value”，系统值，在像素着色器阶段会需要这个值来进行裁剪操作。除了系统值必须固定外，其他的语义值都是可以任意指定的（虽然可以任意指定，但一般情况下显然是以变量真实作用为依据嘛）。

有了该两个结构，顶点着色器函数如下：

VertexOut VS(VertexIn vin)  
{  
    VertexOut vout;  
    vout.posH = mul(float4(vin.pos,1.f),g_worldViewProj);  
    vout.color = vin.color;  

    return vout;  
}

该函数名是可以任意指定的，其参数为输入顶点结构，输出为相应的输出顶点结构。在这个函数里面，它实现的是一个最简单的功能，即坐标变换和颜色的简单传递。

这里用到了几个HLSL内置函数：mul用来实现向量、矩阵的相乘，其维数是可度的，比如float3和float3x3相乘，float4和float4x4相乘，也可以进行相同维数的矩阵的相乘。由于输出坐标要求为float4类型，因些相乘时需要float4和float4x4。这里float4通过复制输入顶点后接第4个参数1.f作为构造函数生成，g_worldViewProj为一个全局变量，类型为float4x4，用于进行世界、视角、投影变换，三个变量合成到一个矩阵中实现。

顶点着色器示例

如使用如下代码
VertexShader.hlsl

struct VS_INPUT
{
    float4 Pos : POSITION;
    float2 Tex : TEXCOORD;
};

struct VS_OUTPUT
{
    float4 Pos : SV_POSITION;
    float2 Tex : TEXCOORD;
};


//VS是顶点着色器的入口-固定的，就像main一样
VS_OUTPUT VS(VS_INPUT input)
{
    return input;
}

经过VS的HLSL Shader Compiler编译之后，生成VertexShader.h
而VertexShader.h生成的其实是一个数组：

const BYTE g_VS[] ={
...
};

这样就可以在D3D11中创建顶点着色器：

ID3D11VertexShader* m_VertexShader
ID3D11InputLayout* m_InputLayout
     HRESULT hr;

    UINT Size = ARRAYSIZE(g_VS);
    hr = m_Device->CreateVertexShader(g_VS, Size, nullptr, &m_VertexShader);
    if (FAILED(hr))
    {
        return ProcessFailure(m_Device, L"Failed to create vertex shader in OUTPUTMANAGER", L"Error", hr, SystemTransitionsExpectedErrors);
    }

    D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC Layout[] =
    {
        {"POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0},
        {"TEXCOORD", 0, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT, 0, 12, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0}
    };
    UINT NumElements = ARRAYSIZE(Layout);
    hr = m_Device->CreateInputLayout(Layout, NumElements, g_VS, Size, &m_InputLayout);
    if (FAILED(hr))
    {
        return ProcessFailure(m_Device, L"Failed to create input layout in OUTPUTMANAGER", L"Error", hr, SystemTransitionsExpectedErrors);
    }
    m_DeviceContext->IASetInputLayout(m_InputLayout);

    m_DeviceContext->VSSetShader(m_VertexShader, nullptr, 0);

在顶点结构中，针对每个成员，我们要定义一个相应的D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC。这个结构定义了该成员相应的有关信息，定义如下：

typedef struct D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC {  
  LPCSTR                     SemanticName;  
  UINT                       SemanticIndex;  
  DXGI_FORMAT                Format;  
  UINT                       InputSlot;  
  UINT                       AlignedByteOffset;  
  D3D11_INPUT_CLASSIFICATION InputSlotClass;  
  UINT                       InstanceDataStepRate;  
} D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC;

• SemanticName指的是我们在着色器中定义输入顶点结构时对应的语义说明，比如对于位置坐标，为“POSITION”；
• SemanticIndex为该语义说明的序号，是这样的，在一个顶点结构中，不同的成员可以使用相同的语义说明，这时要用不同的序号来区分他们，相应的序号就是这个SemanticIndex。比如一个顶点有两层纹理坐标，tex1和tex2，它们的语义说明都为”TEXTCOORD”,相应的序号则为0和1；
• Format为该成员的数据类型，对于坐标即为DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT（3个float）；
• InputSlot为输入槽，一般情况下我们指定为0。此外，在个别情况下，不同的顶点信息可以通过不同的输入槽提供给GPU，这时通过该成员来指定其输入槽序号，多个输入槽的使用在以后会有学习；
• AlignedByteOffset，即该成员在顶点结构中字节偏移量，对于这里的位置坐标，为第一个成员，因此偏移为0。对于颜色值，由于位置坐标占据了12个字节，因此颜色值对应的偏移为12，依次类推；
• InputaSlotClass，对于一般情况，为D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA，这时相应的最后一个成员InstanceDataStepRate就要设为0。

顶点结构中对应的每个成员，都对应一个D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC，所有的D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC存放在一个数组当中。因此，对于上面定义的顶点结构，我们可以如下数组：

D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC inputDesc[2] =   
{  
    { "POSITION",   0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT,     0,  0,  D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },  
    { "COLOR",  0, DXGI_FORMAT_R32G32B32A32_FLOAT,  0,  12, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 }  
};

定义好这个，下一步就是用它来创建Input Layout了，相应的函数如下：

HRESULT ID3D11Device::CreateInputLayout(  
  [in]   const D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC *pInputElementDescs,  
  [in]   UINT NumElements,  
  [in]   const void *pShaderBytecodeWithInputSignature,  
  [in]   SIZE_T BytecodeLength,  
  [out]  ID3D11InputLayout **ppInputLayout  
);

第一个参数即我们刚定义好的D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC数组；第二个参数为数组成员个数，这里为2；第三个和第四个成员需要用到编译好的Effect程序，获取方式如下：

D3DX11_PASS_DESC passDesc = {0};  
g_effect->GetTechniqueByName("BasicDraw")->GetPassByIndex(0)->GetDesc(&passDesc);  
g_device->CreateInputLayout(inputDesc,2,passDesc.pIAInputSignature,passDesc.IAInputSignatureSize,&g_inputLayout);

g_effect为事先创建好的ID3DX11Effect*类型变量，代表编译好的Effect，通过它获取相应technique11中相应的pass的描述信息，通过pass描述信息即可获取我们这里需要的两个参数，如上代码中所示，意指shader中输入结构信息，及该信息的字节长度；最后一个参数即我们要创建的input layout接口的地址。

到这里，Input Layout就创建好了。