window显示驱动开发—顶点着色器阶段

顶点着色器阶段通过执行转换、皮肤化和照明等操作来处理顶点。 顶点着色器始终在单个输入顶点上运行并生成单个输出顶点。 呈现管道的此阶段必须始终处于活动状态。

1. 核心功能与特性

顶点着色器 (Vertex Shader, VS) 是渲染管线中首个可编程阶段，其核心职责包括：

1. 坐标变换：将顶点从模型空间转换到齐次裁剪空间（MVP矩阵运算）。
2. 顶点级光照：计算逐顶点光照（如漫反射、镜面反射）。
3. 皮肤化 (Skining)：支持骨骼动画的顶点混合。
4. 数据传递：为后续阶段（如几何着色器/像素着色器）准备插值属性（法线、UV等）。

关键约束：

1. 单输入单输出：每次处理一个顶点，输出一个顶点。
2. 必须激活：即使仅传递数据，VS 也必须存在（不可跳过）。

2. 驱动函数与实现

Direct3D 运行时通过以下 DDI 函数管理顶点着色器：

3. 数据流与交互

(1) 输入数据来源

• 顶点缓冲区 (IA阶段提供)：位置、法线、UV等属性。
• 常量缓冲区 (VsSetConstantBuffers)：矩阵、光照参数等全局数据。
• 纹理资源 (VsSetShaderResources)：如高度图变形（需配合 VsSetSamplers）。

(2) 典型HLSL示例

// 输入结构（匹配IA阶段的布局）
struct VS_INPUT {
    float3 Pos      : POSITION;
    float3 Normal   : NORMAL;
    float2 TexCoord : TEXCOORD0;
};

// 输出结构（传递到后续阶段）
struct VS_OUTPUT {
    float4 Pos      : SV_POSITION;
    float3 Normal   : NORMAL;
    float2 TexCoord : TEXCOORD0;
};

// 顶点着色器主体
VS_OUTPUT VS_Main(VS_INPUT input) {
    VS_OUTPUT output;
    output.Pos = mul(float4(input.Pos, 1.0), gWorldViewProj);
    output.Normal = mul(input.Normal, (float3x3)gWorldInvTranspose);
    output.TexCoord = input.TexCoord;
    return output;
}

4. 驱动实现详解

(1) CreateVertexShader 实现示例

HRESULT APIENTRY CreateVertexShader(
    D3D10DDI_HDEVICE hDevice,
    const UINT* pShaderBytecode,  // 编译后的字节码
    D3D10DDI_HSHADER hShader,     // 运行时句柄
    D3D10DDI_HRTSHADER hRTShader  // 驱动私有数据
) {
    MyDeviceContext* pCtx = (MyDeviceContext*)hDevice.pDrvPrivate;
    MyShaderData* pData = new MyShaderData;

    // 1. 解析字节码（提取常量缓冲区布局等）
    ParseShaderBytecode(pShaderBytecode, &pData->cbLayout);

    // 2. 生成GPU指令（如NVIDIA PTX/AMD GCN）
    pData->pMicrocode = CompileToMicrocode(pShaderBytecode);

    // 3. 关联句柄
    pCtx->shaderTable[hShader] = pData;
    return S_OK;
}

(2) VsSetConstantBuffers 实现示例

void APIENTRY VsSetConstantBuffers(
    D3D10DDI_HDEVICE hDevice,
    UINT StartSlot,
    UINT NumBuffers,
    const D3D10DDI_HRESOURCE* phBuffers
) {
    MyDeviceContext* pCtx = (MyDeviceContext*)hDevice.pDrvPrivate;
    for (UINT i = 0; i < NumBuffers; ++i) {
        pCtx->vsConstantBuffers[StartSlot + i] = phBuffers[i];
        
        // 标记常量缓冲区为脏（需更新GPU缓存）
        pCtx->dirtyFlags |= VS_CONSTANT_BUFFER_DIRTY;
    }
}

5. 性能优化与调试

(1) 优化建议

• 最小化常量缓冲区更新：批量更新或使用动态缓冲区。
• 避免VS分支：复杂逻辑可移至几何/像素着色器。
• 利用实例化：通过 SV_InstanceID 减少重复计算。

(2) 常见问题排查

6. 高级应用场景

(1) 顶点纹理采样 (Vertex Texture Fetch)
通过 VsSetShaderResources 绑定高度图，实现动态地形变形：

Texture2D gHeightMap;
SamplerState gSampler;

float height = gHeightMap.SampleLevel(gSampler, input.TexCoord, 0).r;
output.Pos.y += height * 10.0; // 位移顶点

(2) GPU皮肤化 (Skinned Mesh)

// 常量缓冲区存储骨骼矩阵
float4x4 gBoneMatrices[100];

// 顶点着色器中混合骨骼权重
float4 skinnedPos = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
    skinnedPos += input.Weights[i] * mul(float4(input.Pos, 1), gBoneMatrices[input.BoneIndices[i]]);
}
output.Pos = mul(skinnedPos, gViewProj);

总结

顶点着色器是Direct3D 10管线的几何处理核心，其关键设计要点包括：

• 强制激活：必须存在且输出有效顶点。
• 灵活编程：支持矩阵变换、光照、纹理采样等。
• 驱动协作：通过DDI函数管理编译、资源和状态。

开发者需关注：

• 输入布局匹配：确保IA与VS声明一致。
• 常量缓冲区优化：减少GPU带宽开销。
• 硬件特性利用：如动态分支代价、实例化支持。