第07章 輸入\輸出與語義綁定

我們最大的弱點在于放棄。成功的必然之路就是不斷的重來一次。

　　　　　　　　　　　　　　　　　------ 托馬斯·愛迪生

第三章從 GPU 運行原理和數(shù)據(jù)流程的角度闡述了頂點著色程序和片段著色程序的輸入輸出，即，應(yīng)用程序（宿主程序）將圖元信息（頂點位置、法向量、紋理坐標(biāo)等）傳遞頂點著色程序；頂點著色程序基于圖元信息進行坐標(biāo)空間轉(zhuǎn)換，運算得到的數(shù)據(jù)傳遞到片段著色程序中；片段著色程序還可以接受從應(yīng)用程序中傳遞的紋理信息，將這些信息綜合起來計算每個片段的顏色值，最后將這些顏色輸送到真緩沖區(qū)（或顏色緩沖區(qū)）中。
　　這些是頂點著色程序和片段著色程序的基本功能和數(shù)據(jù)輸入輸出，實際上現(xiàn)在著色程序已經(jīng)可以接受多種數(shù)據(jù)類型，并靈活的進行各種算法的處理，如，可以接受光源信息（光源位置、強度等）、材質(zhì)信息（反射系數(shù)、折射系數(shù)等）、運動控制信息（紋理投影矩陣、頂點運動矩陣等），可以在頂點程序中計算光線的折射方向，并傳遞到片段程序中進行光照計算。
　　這一章節(jié)中，我們將講解 Cg 語言通過何種機制確定數(shù)據(jù)類型和傳遞形式。讀者要抱著如下幾個問題閱讀本章節(jié)：
　　1. 從應(yīng)用程序傳遞到 GPU 的數(shù)據(jù)，分為圖元信息數(shù)據(jù)（在 GPU 處理的基本數(shù)據(jù)如頂點位置信息等）和其他的離散數(shù)據(jù)（在 GPU 運行流程中不會發(fā)生變化，如材質(zhì)對光的反射、折射信息），這兩種輸入數(shù)據(jù)如何區(qū)分？
　　2. 從應(yīng)用程序傳遞到 GPU 中的圖元信息如何區(qū)分類型，即，頂點程序怎么知道一個數(shù)據(jù)是位置數(shù)據(jù)，而不是法向量數(shù)據(jù)？
　　3. 頂點著色程序與片段著色程序之間的數(shù)據(jù)傳遞如何進行？

7.1 Cg 關(guān)鍵字

關(guān)鍵字是語言本身所保留的一個字符串集合，用于代表特定的含義，如前面所講到的數(shù)據(jù)類型關(guān)鍵字 int 、float 等，以及結(jié)構(gòu)體關(guān)鍵字 struct。 Cg 中的關(guān)鍵字很多都是照搬 C\C++ 中的關(guān)鍵字，不過 Cg 中也創(chuàng)造了一系列獨特的關(guān)鍵字，這些關(guān)鍵字不但用于指定輸入圖元的數(shù)據(jù)含義（是位置信息，還是法向量信息），本質(zhì)也則對應(yīng)著這些圖元數(shù)據(jù)存放的硬件資源（寄存器或者紋理），稱之為語義詞（Semantics），通常也根據(jù)其用法稱之為綁定語義詞（binding semantics）。
　　除語義詞外，Cg 中還提供了三個關(guān)鍵字，in、out、inout，用于表示函數(shù)的輸入?yún)?shù)的傳遞方式，稱為輸入\輸出關(guān)鍵字，這組關(guān)鍵字可以和語義詞合用表達硬件上不同的存儲位置，即同一個語義詞，使用 in 關(guān)鍵字修飾和 out 關(guān)鍵詞修飾，表示的圖形硬件上不同的寄存器。
　　Cg 語言還提供兩個修飾符：uniform，用于指定變量的數(shù)據(jù)初始化方式；const 關(guān)鍵字的含義與 C\C++ 中相同，表示被修飾變量為常量變量。
　　下面將分別對上述的關(guān)鍵字進行詳細闡述。這一章非常關(guān)鍵，尤其是語義詞的使用方法和含義，再小的 Cg 程序都需要使用到語義詞。

7.2 uniform

Cg 語言輸入數(shù)據(jù)流分為兩類（參見文獻【3】 Program Inputs and Ooutputs）：
　　1. Varying inputs, 即數(shù)據(jù)流輸入圖元信息的各種組成要素。從應(yīng)用程序輸入到 GPU 的數(shù)據(jù)除了頂點位置數(shù)據(jù)，還有頂點的法向量數(shù)據(jù)，紋理坐標(biāo)數(shù)據(jù)等。Cg 語言提供了一組語義詞，用以表明參數(shù)是由頂點的哪些數(shù)據(jù)初始化的。
　　2. Uniform inputs，表示一些與三維渲染有關(guān)的離散信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常由應(yīng)用程序傳入，并通常不會隨著圖元信息的變化而變化，如材質(zhì)對光的反射信息、運動矩陣等。Uniform 修飾一個參數(shù)，表示該參數(shù)的值由外部應(yīng)用程序初始化并傳入；例如在參數(shù)列表中寫：

　　uniform float brightness,
　　uniform float4x4 modelWorldProject

表示從“外部”傳入一個 float 類型數(shù)據(jù)，和一個 4 階矩陣。“外部”的含義通常是用 OpenGL 或者 DirectX 所編寫的應(yīng)用程序。
　　使用 Uniform 修飾的變量，除了數(shù)據(jù)來源不同外，與其他變量我是完全一樣的。
　　需要注意的一點是：uniform 修飾的變量的值是從外部傳入的，所以在 Cg 程序（頂點程序和片段程序）中通常使用 uniform 參數(shù)修飾函數(shù)形參，不容許聲明一個用 uniform 修飾的局部變量！否則編譯時會出現(xiàn)錯誤提示信息：

　　Error C5056：‘uniform’ not allowed on local variable

7.3 const

Cg 語言也提供 const 修飾符，與 C\C++ 中含義一樣，被 const 所修飾的變量在初始化之后不能再去改變它的值。下面的例子程序中有一個聲明為 const 的變量被賦值修改：

　　const float a = 1.0;
　　a = 2.0; // 錯誤
　　float b = a++; // 錯誤

編譯時會出現(xiàn)錯誤提示信息：

　　error C1026: assignment to const variable.

const 修飾符與 uniform 修飾符是相互獨立的，對一個變量既可以單獨使用 const 或者 uniform，也可以同時使用。

7.4 輸入\輸出修飾符（in\out\inout）

參數(shù)傳遞是指：函數(shù)調(diào)用實參值初始化函數(shù)硬形參的過程。在 C\C++ 中，根據(jù)形參值的改變是否會導(dǎo)致實參值的改變，參數(shù)傳遞分為“值傳遞（pass-by-value）”和“引用傳遞（pass-by-reference）”。按值傳遞時，函數(shù)不會訪問當(dāng)前調(diào)用的實參，函數(shù)體處理的是實參的拷貝，也就是形參，所以形參值的改變不會影響是實參值；引用傳遞時，函數(shù)接收的是實參的存放地址，函數(shù)體中改變的是實參的值。C\C++ 采取指針機制構(gòu)建引用傳遞，所以通常引用傳遞也稱為“指針傳遞”。
　　Cg 語言中參數(shù)傳遞方式同樣分為“值傳遞”和“引用傳遞”，但指針機制并不被 GPU 硬件所支持，所以 Cg 語言采用不同的語法修飾符來區(qū)別“值傳遞”和“引用傳遞”。這些修飾符分別為：
　　1. in: 修飾一個形參只是用于輸入，進入函數(shù)體時被初始化，且該形參值的改變不會影響實參值，這是典型的值傳遞方式。
　　2. out: 修飾一個形參只是用于輸出的，進入函數(shù)體時并沒有被初始化，這種類型的形參一般是一個函數(shù)的運行結(jié)果。
　　3. inout: 修飾一個形參既用于輸入也用于輸出，這是典型的引用傳遞。
　　舉例如下：

　　void muFunc(out float x); // 形參x, 只用于輸出
　　void muFunc(inout float x); // 形參x, 既用于輸入時初始化，也用于輸出數(shù)據(jù)
　　void muFunc(in float x); // 形參x, 只用于輸入
　　void muFunc(float x); // 等價與 in float x，這種用法和C\C++完全一致

也可以使用 return 語句來代替 out 修飾符的使用。輸入\輸出修飾符通常和語義詞一起使用，表示頂點著色程序和片段著色程序的輸入輸出。

7.5 語義詞（Semantic）與語義綁定（Binding Semantics）

語義詞，表示輸入圖元的數(shù)據(jù)含義（是位置信息們還是法向量信息），也表明這些圖元數(shù)據(jù)存放的硬件資源（寄存器或者紋理緩沖區(qū)）。頂點著色程序和片段著色程序中 Varying inputs 類型的輸入，必須和一個語義詞相綁定，這稱之為綁定語義（Binding semantics）。

7.5.1 輸入語義與輸出語義的區(qū)別

語義概念的提出和圖形流水線工作機制大有關(guān)系。從前面所講的 GPU 處理流程中可以看出，一個階段處理數(shù)據(jù)，然后傳輸給下一個階段，那么每個階段之間的接口是如何確定的呢？例如：頂點處理器的輸入數(shù)據(jù)是處于模型空間的頂點數(shù)據(jù)（位置、法向量），輸出的是投影坐標(biāo)和光照顏色；片段處理器要講光照顏色做為輸入，問題是“片段處理器怎么知道光照顏色值的存放位置”？
　　在高級語言中（C\C++），數(shù)據(jù)從接口的一端流向另一端，是因為提供了數(shù)據(jù)存放的內(nèi)存位置（通常是指針信息）；由于 Cg 語言并不支持指針機制，且圖形硬件處理過程中，數(shù)據(jù)通常暫存在寄存器中，故而在 Cg 語言中，通過引入語義綁定（binding semantics）機制，指定數(shù)據(jù)存放的位置，實際上就是將輸入\輸出數(shù)據(jù)和寄存器做一個映射關(guān)系（在 OpenGL Cg Profiles 中是這樣的，但在 DirectX-based Cg profiles 中則并沒有這種映射關(guān)系）。根據(jù)輸入語義，圖形處理器從某個寄存器取數(shù)據(jù)；然后再將處理好的數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出語義，放到指定的寄存器。
　　記住這一點：語義，是兩個處理階段（頂點序、片段程序）之間的輸入\輸出數(shù)據(jù)和寄存器之間的橋梁，同時語義通常也表示數(shù)據(jù)的含義，如 POSITION 一般表示參數(shù)中存放的數(shù)據(jù)是頂點位置。
　　語義，分為輸入語義和輸出語義；輸入語義和輸出語義是有區(qū)別的。雖然一些參數(shù)經(jīng)常會使用相同的綁定語義詞，例如：頂點 Shader 的輸入?yún)?shù)，POSITION 指應(yīng)用程序傳入的頂點位置，而輸出參數(shù)使用 POSITION 語義就表示要反饋給硬件光柵化的裁剪空間位置，光柵化把 POSITION 當(dāng)成一個位置信息。雖然兩個語義命名為 POSITION，但卻對應(yīng)著圖形流水線上不同的寄存器。

7.5.2 頂點著色程序的輸入語義

圖 13 所示的這組綁定語義關(guān)鍵字被 Cg 語言的所有 Vertex Profiles 所支持，一些 Profiles 支持額外的語義詞。

圖13.png

語義詞 POSITION 等價與 POSITION，其他的語義詞也有類似的等價關(guān)系。為了說明語義詞的含義，舉例如下：

　　int float modelPos:POSITION

表示該參數(shù)中的數(shù)據(jù)是頂點位置坐標(biāo)（通常位于模型空間），屬于輸入?yún)?shù)，語義詞 POSITION 是輸入語義，如果在 OpenGL 中則對應(yīng)為接受應(yīng)用程序傳遞的頂點數(shù)據(jù)的寄存器（圖形硬件上）。

　　int float4 modelNormal:NORMAL

表示該參數(shù)中的數(shù)據(jù)是頂點法向量坐標(biāo)（通常位于模型空間），屬于輸入?yún)?shù)，語義詞 NORMAL 是輸入語義，如果在 OpenGL 中則對應(yīng)為接受應(yīng)用程序傳遞的頂點法向量的寄存器（圖形硬件上）。
　　注意，上面的參數(shù)都被聲明為四元向量，通常我們在應(yīng)用程序涉及的頂點位置和法向量都是三元向量，至于為什么要講三元向量變?yōu)樗脑蛄?，又稱齊次坐標(biāo)，具體請看附錄 A。頂點位置坐標(biāo)傳入頂點著色程序中轉(zhuǎn)化為四元向量，最后一元數(shù)據(jù)為 1，而頂點法向量傳入頂點著色程序中轉(zhuǎn)化為四元向量，最后一元數(shù)據(jù)為 0。

7.5.3 頂點著色程序的輸出語義

頂點程序的輸出數(shù)據(jù)被傳入到片段程序中，所以頂點著色程序的輸出語義詞，通常也是片段程序的輸入語義詞，不過語義詞 POSITION 除外。
　　下面這些語義詞使用于所有的 Cg Vertex Profiles 作為輸出語義和 Cg Fragment Profiles 的輸入語義：POSITION，PSIZE，F(xiàn)OG，COLOR0-COLOR1，TEXCOORD0-TEXCOORD7。
　　頂點著色程序必須聲明一個輸出變量，并綁定 POSITION 語義詞，該變量中的數(shù)據(jù)將被用于，且只被用于光柵化！如果沒有聲明一個綁定 POSITION 語義詞的輸出變量，如下所示的代碼:

　　void main_v(float4 position:POSITION, /*out float4 oposition:POSITION,*/ uniform float4x4 modelViewProj)
　　{
　　　　//oposition = mul(modelViewProj, position);
　　}

在使用 vp20 和 vp30 編譯時會提示錯誤信息：error C6014: Required output 'HPOS' not written. 在使用 vs_2_0 和 vs_3_0 編譯時會提示錯誤信息：error C6014:Required output 'POSITION' not written.
　　為了保持頂點程序輸出語義和片段程序輸入語義的一致性，通常使用相同的 struct 類型數(shù)據(jù)作為兩者之間的傳遞，這是一種非常方便的寫法，推薦使用。例如：

　　struct VertexIn
　　{
　　　　float4 position:POSITION;
　　　　float4 normal:NORMAL;
　　};
 
　　struct VertexScreen
　　{
　　　　float4 oPosition:POSITION;
　　　　float4 objectPos:TEXCOORD0;
　　　　float4 objectNormal:TEXCOORD1;
　　};

注意：當(dāng)使用 struct 結(jié)構(gòu)中的成員變量綁定語義時，需要注意到頂點著色程序中使用的 POSITION 語義詞，是不會被片段程序所使用的。
　　如果需要從頂點著色程序向片段程序傳遞數(shù)據(jù)，例如頂點投影坐標(biāo)、光照信息等，則可以聲明另外的參數(shù)，綁定到 TEXCOORD 系列的語義詞進行數(shù)據(jù)傳遞，實際上 TEXCOORD 系列的語義詞通常被用于從頂點程序向片段程序之間傳遞數(shù)據(jù)。
　　當(dāng)然，你也可以選擇不使用 struct 結(jié)構(gòu)，而直接在函數(shù)形參中進行語義綁定。無論使用何種方式，都要記住 Vertex Program 中的綁定語義（POSITION 除外）的輸出形參的數(shù)據(jù)會傳遞到 Fragment Program 中綁定相同語義的輸入形參中。

7.5.4 片段著色程序的輸出語義

片段著色程序的輸出語義詞較少，通常是 COLOR。 這是因為片段著色程序運行完畢后，就基本到了 GPU 流水線的末端了。片段程序必須聲明一個 out 向量（三元或者四元），綁定語義詞 COLOR，這個值將被用做該片段的最終顏色值。例如：

　　void main_v(out float4 color:COLOR)
　　{
　　　　color.xyz = float3(1.0, 1.0, 1.0);
　　　　color.w = 1,0;
　　}

一些 fragment profiles 支持輸出語義詞 DEPTH，與它綁定的輸出變量會設(shè)置片段的深度值；還有一些支持額外的顏色輸出，可以用于多渲染目標(biāo)（multiple render targets, MRTs）。
　　和頂點著色程序一樣，片段著色程序也可以將輸出對象放入一個結(jié)構(gòu)體中。不過，這種做法未必方便，理由是：片段著色程序的輸出對象少，最常用的就是顏色值（綁定輸出語義詞 COLOR），單獨的一個向量沒有必要放到結(jié)構(gòu)體中。而頂點著色程序輸出的對象很多，在有些光照或陰影計算中，往往要輸出頂點的世界坐標(biāo)、法向量、光的反射方向、折射方向、投影紋理坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一放到結(jié)構(gòu)體中方便管理。

7.5.5 語義綁定方法

入口函數(shù)輸入\輸出數(shù)據(jù)的綁定語義有4 種方法（文獻【3】第 260 頁）
　　1. 綁定語義放在函數(shù)的參數(shù)列表的參數(shù)聲明后面中：

　　[const][in|out|inout]<type><identifier>[:<binding-semantic>][=<initializer>]

其中，const 作為可選項，修飾形參數(shù)據(jù)；in、out、inout 作為可選項，說明數(shù)據(jù)的類型；identifier 是必選項，形參變量名；一個冒號“：”加上一個綁定語義，是可選項；最后是初始化參數(shù)，是可選項。如下代碼所示。形參列表中的參數(shù)一、參數(shù)而綁定到輸入語義；參數(shù)三、參數(shù)四綁定到輸出語義；盡管參數(shù)一和參數(shù)三的綁定語義詞一樣，但前者是輸入語義，后者是輸出語義，所以這兩個參數(shù)數(shù)據(jù)所對應(yīng)的硬件位置視不一樣的。

　　void main_v(float4 positon_obj:POSITION, float3 normal_obj:NORMAL, 
　　　　　　　　out float4 oPosition:POSITION, out float4 oColor:COLOR, 
　　　　　　　　uniform float4x4 modelViewProj)
　　{
　　...............
　　}

2. 綁定語義可以放在結(jié)構(gòu)體（struct）的成員變量后面：

　　struct<struct-tag>
　　{
　　　　<type><identifier>[:<binding-semantic>];
　　}

舉例如下，結(jié)構(gòu) C2Elv_Outpu 中的 2 個成員變量分別綁定到語義 POSITION 和 COLOR，然后在 C2Elv_green 頂點程序入口函數(shù)中輸出，所以 C2Elv_Outpu 中的語義是輸出語義。

　　struct C2Elv_Output
　　{
　　　　float4 position:POSITION;
　　　　float3 color:COLOR;
　　}
 
　　C2Elv_Output C2Elv_green(float2 position:POSITION)
　　{
　　　　C2Elv_Output OUT;
　　　　OUT.position = float4(position, 0, 1);
　　　　OUT.color = float3(0,1,0);
   
　　　　return OUT;
　　}

3. 綁定語義可以放在函數(shù)聲明的后面，其形式為：

　　<type><identifier>(<parameter-list>)[:<binding-semantic>]
　　{
　　　　<body>
　　}

如下代碼所示，頂點入口函數(shù)的聲明后帶有“COLOR”語義詞，表示該函數(shù)需要反饋一個顏色值，所以函數(shù)的返回類型為 float4, 函數(shù)體也必須以 return 語句結(jié)束。

　　float4 main_v(float4 positon:POSITION, 
　　　　　　　　out float4 oposition:POSITION, 
　　　　　　　　uniform float4x4 modelViewProj):COLOR
　　{
　　　　oposition = mul(modelViewProj, positon);
　　　　float4 ocolor = float4(1.0, 0,0,0);
　　　　return oclolor;
　　}

4. 最后一種語義綁定的方法是，將綁定語義詞放在全局非靜態(tài)變量的聲明后面。其形式為：

　　<type><identifier>[:<binding-semantic>][=<initializer>]

這種形式的結(jié)構(gòu)很不緊湊，也不利于代碼的維護和閱讀，所以并不常見，不建議讀者使用。事實上，我在學(xué)習(xí)和研究過程中也很少碰到這種形式。