Pixel Shader

 

    我们已经知道可以使用vertex shader替换固定功能的顶点处理，pixel shader则用来替换固定功能的像素处理。多个纹理阶段串联可以完全被pixel shader所替换。specular addition，雾化以及frame buffer处理则不会受pixel shader的影响。

    使用固定功能像素处理，应用程序需要为每个texture stage设置状态，并且尝试在多纹理串联的受限数据流里执行per-pixel处理。使用pixel shader，你只要写一个很小的程序，从纹理里面采样，然后组合采样值产生一个新的颜色，将这个颜色值传递到Frame buffer， 做进一步的处理。

    在DirectX 9.0C里面Direct3D有几种不同的pixel shader 架构版本。我们将看看每个版本的寄存器模型，指令模型和指令集。跟vertex shader一样，pixel shader也是使用的是一组Token，每个指令一个Token。大部分应用程序不会直接构建TOKEN数组，将会使用D3DX将文本指令编译成TOKEN数组。

 

Pixel Shader Architecture

 

 

pixel shader的架构图

在所有的版本里面里面pixel shader的架构基本都类似，指令集和寄存器文件有所不一样。Pixel shader 必须执行两项任务：描述纹理是怎么寻址采样以及怎么组合采样值产生新的颜色值。

Pixel Shader指令执行流程

 

Pixel Shader的架构版本

 

  各个版本feature区别列表：

Feature	1.0	1.1	1.2	1.3	Phase 1	1.4	Phase 2
Arithmetic Instructions	8	8	8	8	8		8
Texture Address instructions	4	4	4	4	6		6
Total Instructions	8	12	12	12	14		14
Constant registers(cn)	8	8	8	8		8
temporary registers(rn)	2	2	2	2		6
texture registers(tn)	4	4	4	4		6
color registers(vn)	2	2	2	2	0		2

 

各个版本可用指令列表：

Instruction	Syntax	Meaning	1.0	1.1	1.2	1.3	1.4
add	d,s0,s1	component addition	YES	YES	YES	YES	YES
bem	d.rg,s0,s1	bump enviroment map					YES
cmp	d,s0,s1,s2	compare to 0.0			YES	YES	YES
cnd	d,s0,s1,s2	compare to 0.5	YES	YES	YES	YES	YES
def	d,v0,v1,v2,v3	constant definition	YES	YES	YES	YES	YES
dp3	d,s0,s1	dot product	YES	YES	YES	YES	YES
dp4	d,s0,s1	dot product			YES	YES	YES
lrp	d,s0,s1,s2	linear interpolation	YES	YES	YES	YES	YES
mad	d,s0,s1,s2	multiply and add	YES	YESS	YES	YES	YES
mov	d,s	register copy	YES	YES	YES	YES	YES
mul	d,s0,s1	component multiply	YES	YES	YES	YES	YES
nop		no operation	YES	YES	YES	YES	YES
phase		instruction phase					YES
ps	.major.minor	shader version	YES	YES	YES	YES	YES
sub	d,s0,s1	component subtraction	YES	YES	YES	YES	YES
tex	d	sample texture	YES	YES	YES	YES
texbem	d,s	bump enviroment map	YES	YES	YES	YES
texbeml	d,s	bumpmap with luminance	YES	YES	YES	YES
texcoord	d	texture is coordinate	YES	YES	YES	YES
texcrd	d,s	texture is coordinate					YES
texdepth	d	compute  pixel depth					YES
texdp3	d,s	texture dot product			YES	YES
texdp3tex	d,s	dot product with lookup			YES	YES
texkill	s	kill source pixel	YES	YES	YES	YES	YES
texld	d,s	sample from register					YES
texm3*2depth	d,s	compute pixel depth					YES
texm3*2pad	d,s	partial matrix product	YES	YES	YES	YES
texm3*2tex	d,s	final matrix product	YES	YES	YES	YES
texm3*3	d,s	final matrix product			YES	YES
texm3*3pad	d,s	partial matrix product	YES	YES	YES	YES
texm3*3spec	d,s0,s1,s2	reflection vector lookup	YES	YES	YES	YES
texm3*3tex	d,s	final matrix product	YES	YES	YES	YES
texm3*3vspec	d,s	variable reflection lookup	YES	YES	YES	YES
texreg2ar	d,s	dependent texture lookup	YES	YES	YES	YES
texreg2gb	d,s	dependent texture lookup	YES	YES	YES	YES
texreg2rgb	d,s	dependent texture lookup			YES	YES

 

Pixel Shader 1.0 Register Restriction

 

Instruction	Operand	cn	rn	tn	vn
add d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	*	*
cnd d,s0,s1,s2	d s0 s1,s2	*	* r0.a *	*	*
dp3 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	*	*
lrp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	*	*
mad d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	*	*
mov d,s	d s	*	* *	*	*
mul d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	*	*
sub d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	*	*
tex d	d			*
texbem d,s	d,s			*
texbeml d,s	d,s			*
texcoord d	d			*
texkill s	s			*
texm3*2pad d,s	d,s			*
texm3*2tex d,s	d,s			*
texm3*3pad d,s	d,s			*
texm3*2spec d,s0,s1,s2	d,s0,s1 s2	*		*
texm3*3tex d,s	d,s			*
texm3*3vspec	d,s			*
texreg2ar d,s	d,s			*
texreg2gb d,s	d,s			*

 

Pixel Shader 1.1 Register Restrictions

Instruction	Operand	cn	rn	tn	vn
add d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
cnd d,s0,s1,s2	d s0 s1,s2	*	* r0.a *	* *	*
dp3 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
lrp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
mad d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
mov d,s	d s	*	* *	* *	*
mul d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
sub d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
tex d	d			*
texbem d,s	d,s			*
texbeml d,s	d,s			*
texcoord d	d			*
texkill s	s			*
texm3*2pad d,s	d,s			*
texm3*2tex d,s	d,s			*
texm3*3pad d,s	d,s			*
texm3*2spec d,s0,s1,s2	d,s0,s1 s2	*		*
texm3*3tex d,s	d,s			*
texm3*3vspec	d,s			*
texreg2ar d,s	d,s			*
texreg2gb d,s	d,s			*

 

Pixel Shader 1.2 Register Restrictions

Instruction	Operand	cn	rn	tn	vn
add d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
cmp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
cnd d,s0,s1,s2	d s0 s1,s2	*	* r0.a *	* *	*
dp3 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
dp4 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
lrp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
mad d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
mov d,s	d s	*	* *	* *	*
mul d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
sub d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
tex d	d			*
texbem d,s	d,s			*
texbeml d,s	d,s			*
texcoord d	d			*
texkill s	s			*
texm3*2pad d,s	d,s			*
texm3*2tex d,s	d,s			*
texm3*3pad d,s	d,s			*
texm3*2spec d,s0,s1,s2	d,s0,s1 s2	*		*
texm3*3tex d,s	d,s			*
texm3*3vspec	d,s			*
texreg2ar d,s	d,s			*
texreg2gb d,s	d,s			*
texreg2rgb d,s	d,s			*

 

Pixel Shader 1.3 Register Restrictions

Instruction	Operand	cn	rn	tn	vn
add d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
cmp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
cnd d,s0,s1,s2	d s0 s1,s2	*	* r0.a *	* *	*
dp3 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
dp4 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
lrp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
mad d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
mov d,s	d s	*	* *	* *	*
mul d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
sub d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
tex d	d			*
texbem d,s	d,s			*
texbeml d,s	d,s			*
texcoord d	d			*
texdp3 d,s	d,s			*
tex3p3tex	d,s			*
texkill s	s			*
texm3*2depth d,s	d,s			*
texm3*2pad d,s	d,s			*
texm3*2tex d,s	d,s			*
texm3*3pad d,s	d,s			*
texm3*3spec d,s0,s1,s2	d,s0,s1 s2	*		*
texm3*3tex d,s	d,s			*
texm3*3vspec	d,s			*
texreg2ar d,s	d,s			*
texreg2gb d,s	d,s			*
texreg2rgb d,s	d,s			*

 

Pixel Shader 1.4 Register Restrictions:Phase 1

 

Instruction	Operand	cn	rn	tn	vn
add d,s0,s1	d s0,s1	*	* *
bem d.rg,s0,s1	d s0 s1	*	* * *
cmp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *
cnd d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *
dp3 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *
dp4 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *		*
lrp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *
mad d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *	* *	*
mov d,s	d s	*	* *	* *	*
mul d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
sub d,s0,s1	d s0,s1	*	* *	* *	*
tex d	d			*

 

Pixel Shader 1.4 Register Restrictions: Phase 2

Instruction	Operand	cn	rn	tn	vn
add d,s0,s1	d s0,s1	*	* *		*
cmp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *		*
cnd d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *		*
dp3 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *		*
dp4 d,s0,s1	d s0,s1	*	* *		*
lrp d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *		*
mad d,s0,s1,s2	d s0,s1,s2	*	* *		*
mov d,s	d s	*	* *		*
mul d,s0,s1	d s0,s1	*	* *		*
sub d,s0,s1	d s0,s1	*	* *		*
texcrd d,s	d s		*	*
texdepth d	d		r5
texkill s	s		*	*
texld d,s	d s		* *	*

 

 

• Pixel shader 1.0

  版本1.0包含一些算术操作和纹理寻址指令。通常，算术指令能使用任何寄存器作为源操作数，任何临时寄存器作为目的操作数，但是cnd指令除外，它只能使用r0.a作为它的第一个源操作数。texXXXX类似的纹理寻址指令提供了纹理读取操作。

• Pixel Shader 1.1

   版本1.1扩展了1.0架构，允许更多的指令。算法指令的目的操作数可以是纹理寄存器tn.

• Pixel  Shader 1.2

   扩展了指令cmp,dp4,texdp3,texdp3tex,texm3*3和texreg2rgb。

• Pixel  Shader 1.3

    扩展了指令texm3*2depth。

• Pixel  Shader 1.4

     1.4归纳了纹理寻址以及共同phase指令阶段的dependent纹理读取的概念。phase指令是纹理地址和纹理采样之间的标志。PS1.4指令组成：math, address, phase,math,address。在指令装载的不同的阶段可使用的寄存器是不一样的。

      在阶段1，算术指令能够使用const和临时寄存为作为他们的源操作数，临时寄存器作为他们的目的寄存器。纹理寻址指令能够使用纹理寄存器作为他们的源操作数，临时寄存器作为他们的目的操作数。

      在阶段2， 算术指令除了临时和constant寄存器还能使用颜色寄存器作为他们的源操作数，算术指令的目的操作数必须是一个临时寄存器。阶段2的纹理寻址除了纹理寄存器还能够使用临时寄存器作为源操作数。     

• Pixel  Shader 2.0
• Pixel  Shader 2.X
• Pixel  Shader 3.0

 

指令集

• 指令声明

   每个像素shader必须使用ps指令声明它的架构版本。这个指令必须是pixel shader的第一个指令。major和minor必须要是架构的major和minor版本号码。   在SetPixelShader绑定pixel shader的时候constant寄存器也要被绑定。def指令定义了constant寄存器。def指令系需要出现在版本指令以后计算指令之前。

• 基本算术指令

   mov d,s

   add d, s0,s1

   sub d,s0,s1

    mul d, s0,s1

   mad d, s0,s1,s2

   lrp d, s0,s1,s2

   dp3 d , s0,s1

   dp4 d, s0,s1

• 比较指令

    cmp d,s0,s1,s2

          d= (f(s0x,s1x,s2x),f(s0y,s1y,s2y),f(s0z,s1z,s2z),f(s0w,s1w,s2w))   f(a,b,c) = b(a >=0) ; c (a<0)

     cnd d,s0,s1,s2

          d= s1(s0a>0.5) s2(s0a<=0.5)

• 基本纹理寻址

    tex d

           d = Td(ud,vd,wd,qd)

    texcoord d

           d= (f(ud),f(vd),f(wd),1),  f(x) = 0(x<0), x(0<=x<=1), 1(x>1)

    texcrd d, s

            d = (us,vs,ws,*)

     texld d,s

             d= Td(us,vs,ws)

      texdp3 d,s

             d = (f,f,f,f)   f= (ud,vd,wd).(sr,sg,sb)

       texdp3tex d,s

              u' = (ud,vd,wd).(sr,sg,sb)

              d = Td(u',0,0)

       texkill s

               abort if us<0 or vs <0 or ws <0

        texm3*2pad d,s

                d= (ud,vd,wd).(sr,sg,sb)

         texm3*2tex d,s

               u' = (ud-1,vd-1,wd-1).(sr,sg,sb)

               v' = (ud,vd,wd).(sr,sg,sb)

                d = Td(u',v')

          texm3*2depth d,s

               z = (ud-1,vd-1,wd-1).(sr,sg,sb)

               w = (ud,vd,wd).(sr,sg,sb)

               f= 1 (w=0) ; z/w(w<>0)

               d= (f,f,f,f)

         texm3*3pad d, s

                d = (ud,vd,wd).(sr,sg,sb)

         texm3*3 d,s

                u' = (ud-2,vd-2,wd-2).(sr,sg,sb)

                v' = (ud-1,vd-1,wd-1)(sr,sg,sb)

                w' = (ud,vd,wd).(sr,sg,sb)

               d = (u',v',w',1)

         texm3*3tex d,s

                u' = (ud-2,vd-2,wd-2).(sr,sg,sb)

                v' = (ud-1,vd-1,wd-1)(sr,sg,sb)

                w' = (ud,vd,wd).(sr,sg,sb)

                 d= (u',v',w')

           texm3*3spec d, s0,s1

                u' = (ud-2,vd-2,wd-2).(s0r,s0g,s0b)

                v' = (ud-1,vd-1,wd-1)(s0r,s0g,s0b)

                w' = (ud,vd,wd).(s0r,s0g,s0b)

                n = (u',v',w')

                (u'',v'',w'') = 2(n.s1/n.n )n - s1

                d = Td(u'',v'',w'')

            texm3*3vspec d, s0,s1

                 u' = (ud-2,vd-2,wd-2).(s0r,s0g,s0b)

                 v' = (ud-1,vd-1,wd-1).(s0r,s0g,s0b)

                w' = (ud,vd,wd).(s0r,s0g,s0b)

                 n = (u',v',w')

                 e= (qd-2,qd-1,qd)

                 (u'',v'',w'') = 2(n.e/n.n)n -e

                 d = Td(u'',v'',w'')

            texreg2ar d,s

                  d = Td(sa,sr)

             texreg2gb d,s

                  d = Td(sg,sb)

            texreg2rgb d, s

                   d = Td(sr,sg,sb)

             texdepth s

                   z = (sr/sg(sg<>0)) ; 1 (sg = 0)

• bump mapping 指令

             bem  d, s0,s1

                    d.r = s0r + b00d s1r + b10d s1g

                    d.g = s0g + b10d s1r +  b11d s1g

            texbem d,s

                     u' = ud + b00d  sr + b01d sg

                    v' = vd + b10d sr + b11d sg

                     d = Td(u',v')

             texbeml d,s

                      u' = ud + b00d sr + b01d sg

                      v' = vd + b10d sr + b11d sg

                      d = Td(u',v1) (sbld + Od)

 

PS 2.0 指令

abx d, s

crs d, s0, s1

dcl d

dcl_textureType d

dp2add d, s0,s1,s2

exp d,sc

frc d,s

log d,sc

m3*2 d,s0,s1

m3*3 d,s0,s1

m3*4 d,s0,s1

m4*3 d,s0,s1

m4*4 d,s0,s1

max d,s0,s1

min d,s0,s1

nrm d,s

pow d,s0c,s1c

rcp d,sc

rsq d,sc

sincos d,s0c,s1,s2

texld d,s0,s1

texldb d,s0,s1

texldp d,s0,s1

PS 2.X 指令

defb

defi

label

call

callnz

callnz_pred

ret

dsx

dsy

if

else

endif

if_comp

if_pred

rep

endrep

break

break_comp

break_pred

setp

texldd

PS 3.0 指令

dcl_usage

loop

endloop

texldl

管理Pixle Shaders

  

        设备上pixel shader的属性使用SetPixelsShader和GetPixelShader管理。shader属性是一个DWORD句柄，它对应一个DWORD Token数组，一个Token对应一个指令。

         HRESULT  GetPixelShader(DWORD * value);

         HRESULT   SetPixelShader(DWORD value);

      Token与句柄之间的联系是通过CreatePixelShader创建的。为了销毁pixel shader句柄与Token的联系，并且释放设备上的Token内存，释放pixel shader物体上的所有的reference。 你能够使用GetPixelShaderFunction取得相关的Token数组。

      HRESULT CreatePixelShader(const DWORD * function, DWORD * result);

      HRESULT  GetPixelShaderFunction(DWORD handle,void * value, DWORD * size);

   当为了获得pixel shader的token数组时，首先使用value为空的调用，这样可以取得Token数组的大小。然后再传递一个size大小的数组指针作为value,这样就可以返回某个pixel shader的Token的数组。

   GetPixleShaderConstantF和SetPixelShaderConsantF方法管理constant寄存器。

     

Texture Stage State

     pixel shader通过TSS Color Op和TSS Alpha OP替换了固定功能流水线的功能，但是它不能替换纹理寻址和采样的机制。