Khóa luận Nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm 3D Engine - Phần 2

như HLSL (chỉ có trong 
Direct3D 9.0 trở lên) hay GLSL (được phát triển trong phiên bản OpenGL 2.0). 
Phần này sẽ đề cập tới cấu trúc 1 chương trình Vertex Shader viết bằng hợp ngữ, 
các ngôn ngữ cấp cao sẽ được trình bày ở cuối chương này. 
 Một chương trình Vertex Shader viết bằng hợp ngữ căn bản được chia thành các 
phần sau đây: 
 Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader 
 - 16 - 
Hình 2-4 Cấu trúc 1 chương trình Vertex Shader bằng hợp ngữ 
 Chỉ thị phiên bản (Version Instruction). Là thành phần đầu tiên trong 
chương trình, nó cho biết phiên bản Vertex Shader được biên dịch thành. Trong ví 
dụ trên chương trình sẽ chạy được trên phần cứng hỗ trợ vs_1_1 trở lên. 
 Ghi chú (Comments). Được dùng để ghi các ghi chú trong chương trình như 
ý nghĩa của dữ liệu chứa trong thanh ghi… Ghi chú được bắt đầu bằng ( // ) hay ( ; ) 
cho ghi chú 1 dòng và ( /* … */ ) cho ghi chú nhiều dòng. 
 Các hằng thanh ghi (Constants). Các hằng được định nghĩa sau từ khoá 
def. Các hằng thanh ghi có thể chứa tới 4 giá trị cho mỗi thanh ghi. Như ở ví dụ trên 
thanh ghi c8 được gán giá trị là (0, 1, 2, 3). Các hằng thanh ghi còn có thể được gán 
giá trị bên trong chương trình chính thông qua phương thức 
IDirect3DDevice9::SetVertexShaderConstantx. 
 Định nghĩa dữ liệu trong thanh ghi đầu vào (Input Register 
Declarations). Các thanh ghi dữ liệu vào như v0, v1… cần phải được định nghĩa dữ 
liệu trước khi sử dụng. Việc định nghĩa này sẽ giúp Direct3D ánh xạ được các dữ 
liệu thành phần trong vertex trên bộ nhớ vào đúng các thanh ghi tương ứng. Trong 
ví dụ trên, thanh ghi v0 sẽ chứa tọa độ vị trí, và v1 sẽ chứa tọa độ texture của 
vertex. 
 Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader 
 - 17 - 
 Các vi lệnh (Instructions). Phần cuối cùng của 1 chương trình Vertex 
Shader là các vi lệnh hợp ngữ. Mọi chương trình Vertex Shader đều phải xuất giá trị 
ra ít nhất là vào thanh ghi vị trí oPos. Trong ví dụ trên chương trình xuất vào 2 
thanh ghi là thanh ghi vị trí oPos và thanh ghi tọa độ texture oT0. 
2.4. Pixel Shader 
 Pixel Shader là chương trình tính toán và xử lý màu trên 1 hay nhiều điểm ảnh. 
Pixel Shader sẽ được thực thi 1 lần cho mỗi điểm ảnh được dựng lên màn hình từ 
dữ liệu vertex vì thế Pixel Shader khi chạy sẽ tốn nhiều thời gian hơn Vertex Shader 
(chỉ xử lý 1 lần cho mỗi vertex). Pixel Shader có thể được viết bằng hợp ngữ hay 
HLSL. Các phiên bản hiện nay của Pixel Shader gồm có ps_1_1, ps_1_2, ps_1_3, 
ps_1_4, ps_2_0, ps_2_x và cuối cùng là ps_3_0. 
 Cũng giống như Vertex Shader, Pixel Shader khi thi hành sẽ loại trừ với Fixed 
Function, do đó tìm hiểu qui trình xử lý pixel của Fixed Function là điều cần thiết. 
2.4.1. Xử lý điểm ảnh bằng Fixed Function Pipeline 
 Sau khi dữ liệu vertex được xử lý (thành tọa độ trong không gian chiếu) sẽ được 
chuyển qua để xử lý đối tượng cơ sở (Primitive Processing). 
Hình 2-5 Qui trình xử lý đối tượng cơ sở 
 Clipping. Loại bỏ các các đối tượng hình học không nhìn thấy được trong 
khối quan sát (viewing frustum) để tăng hiệu suất dựng hình. 
 Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader 
 - 18 - 
 Chuẩn hóa hệ tọa độ thuần nhất (Homogeneous Divide). Chia các thành 
phần của dữ liệu cho phần tử cuối. 
 Ánh xạ Viewport (Viewport Scaling). Ánh xạ dữ liệu vào tọa độ trong 
Viewport. 
 Xử lý tam giác (Triangle Setup). Chuẩn bị cho việc nội suy tam giác và 
biến đổi các thuộc tính vertex thành thuộc tính điểm ảnh. 
 Sau khi qui trình xử lý đối tượng cơ sở hoàn tất, dữ liệu vertex đã được nội suy 
thành dữ liệu điểm ảnh sẵn sàng được chuyển sang qui trình xử lý điểm ảnh (điểm 
ảnh lúc này chưa phải là giá trị màu mà chỉ mang các thuộc tính do tính toán được 
từ việc nội suy tam giác mà thôi). Điểm ảnh sau đó sẽ tính toán kết hợp các thuộc 
tính màu sắc và lấy mẫu texture tạo thành điểm màu cuối cùng. Qui trình xử lý điểm 
ảnh bao gồm 2 công đoạn chính. 
Hình 2-6 Qui trình xử lý điểm ảnh qua 2 giai đoạn 
 Giai đoạn 1 biến đổi dữ liệu nội suy trong vertex (bao gồm màu diffuse, màu 
specular và tọa độ texture) thành các thuộc tính màu của điểm ảnh. Gồm có các 
bước sau đây: 
 Lấy mẫu texture (Sample texture). Lấy mẫu 1 hay nhiều texture 
 Hòa màu (Blend colors). Kết hợp các màu trong thuộc tính của điểm ảnh 
chủ yếu là màu cơ bản (diffuse), màu phản chiếu (specular) với các màu lấy mẫu từ 
texture. 
 Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader 
 - 19 - 
 Giai đoạn 2 sẽ chuyển điểm màu ở cuối giai đoạn 1 thành điểm màu cuối cùng 
được dựng lên trên màn hình. Quá trình này bao gồm các công đoạn sau đây: 
 So sánh alpha (Alpha test). Tiến hành so sánh giá trị alpha để xem màu sắc 
của điểm ảnh có tham gia vào giá trị màu cuối cùng hay không. 
 So sánh cập nhật vùng đệm độ sâu (Depth test). Cập nhật vùng đệm độ 
sâu (Depth buffer) bằng độ sâu của điểm ảnh nẽu điểm ảnh được vẽ. 
 So sách stencil (Stencil test). Tiến hành kiểm tra stencil nếu điểm ảnh đợi 
vẽ. 
 Tính toán sương mù (Per-pixel fog). Kết hợp giá trị sương mù với màu của 
điểm ảnh. 
 Hòa màu dựa trên độ alpha (Alpha blend). Tiến hành kết hợp màu của 
điểm ảnh đang vẽ với màu của điểm ảnh tương ứng trên màn hình. 
 Dither. Thực hiện chuẩn hóa màu. 
 Hiệu chỉnh Gamma. Thực hiện hiệu chỉnh gamma trên điểm ảnh cuối cùng. 
 Trong qui trình xử lý điểm ảnh ở trên, chỉ có giai đoạn 1 là có thể thay thế xử lý 
bằng Pixel Shader. Pixel Shader sau khi kết thúc sẽ trả giá trị màu tính được cho 
Fixed Function Pipeline. Ta hãy xem qua chi tiết xử lý trong giai đoạn 1 của Fixed 
Function Pipeline. Mô hình lý thuyết của Fixed Function Pipeline như sau: 
Hình 2-7 Mô hình xử lý điểm ảnh của Fixed Function trong giai đoạn 1 
 Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader 
 - 20 - 
 Dữ liệu texture (Texture Data). Là dữ liệu của texture lấy từ tập tin hay 
khung hình (Render Target). 
 Sampler. Dùng để lấy mẫu texture. Có nghĩa là dùng tọa độ texture để tìm 
giá trị màu tương ứng tại tọa độ đó. Các bộ lọc texture (texture filtering) có thể làm 
ảnh hưởng đến chất lượng mẫu nhận được (trừ chế độ lọc theo điểm (point 
filtering)). Fixed Function Pipeline có tất cả 8 samplers. 
 Cơ chế kết hợp đa texture (Multitexture Blender) bao gồm 8 tầng kết hợp 
(Blending Stage). Các tầng kết hợp được sắp chồng lên nhau sao cho đầu ra của đầu 
ra của tầng 0 trở thành đầu vào cho tầng 1, đầu ra của tầng 1 trở thành đầu vào cho 
tầng 2 và cứ thế. Mỗi tầng như vậy gọi là tầng texture (texture stage). 
 Cả giai đoạn 1 này ta có thể sử dụng Pixel Shader để xử lý thay cho Fixed 
Function. Mô hình lý thuyết của Pixel Shader thay thế tương ứng với Fixed 
Function như sau. 
Hình 2-8 Mô hình xử lý điểm ảnh của Pixel Shader trong giai đoạn 1 
 Theo mô hình trên Pixel Shader cũng dùng các samplers để lấy mẫu texture, 
nhưng giờ đây cơ chế kết hợp đa texture (Multitexture Blender) đã được thực hiện 
 Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader 
 - 21 - 
ngay trong bản thân của Pixel Shader, bằng cách này các tác vụ kết hợp (blending) 
hoàn toàn có thể được lập trình lại. Một khi đã sử dụng Pixel Shader, ta không còn 
phải hiệu chỉnh các trạng thái của các tầng texture (Texture Stage States) để điều 
khiển cơ chế kết hợp đa texture nữa vì mọi thứ đã được làm trong Pixel Shader. 
 Đây chính là sức mạnh của Pixel Shader: người lập trình không còn phải tốn 
nhiều công sức để thiết lập các trạng thái cho các tầng texture nữa, họ giờ đây hoàn 
toàn có thể tự lập trình ra các thuật toán mới để sử dụng, thậm chí hoàn toàn có thể 
trung chuyển các luồng dữ liệu từ vertex shader vào pixel shader (nếu dùng kết hợp 
cả 2 shader). Tuy nhiên vẫn còn những hạn chế do người lập trình vẫn chưa can 
thiệp được vào giai đoạn 2 của qui trình xử lý pixel, giai đoạn này vẫn còn bị sự 
kiểm soát của Fixed function Pipeline. Phần sau ta sẽ xem qua kiến trúc của máy ảo 
Pixel Shader 
2.4.2. Máy ảo Pixel Shader 
 Pixel Shader dùng các toán tử toán học để xử lý dữ liệu bên trong từng điểm ảnh 
để tính ra giá trị màu sắc cuối cùng của điểm ảnh. 
Hình 2-9 Mô hình lý thuyết của máy ảo Pixel Shader 
 Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader 
 - 22 - 
 Dữ liệu trong mô hình được di chuyển từ trái sang phải. Pixel Shader sử dụng 
các thanh ghi (registers) để lưu trữ, quản lý các dữ liệu đầu vào (input), đầu ra 
(output), đồng thời thao tác trên chúng nhờ vào các vi lệnh được thực thi bởi đơn vị 
số học và luận lý (ALU). Pixel Shader khi thi hành sẽ biến đổi các thuộc tính bên 
trong của điểm ảnh (bao gồm vị trí, pháp tuyến, tọa độ texture, màu diffuse…) 
thành giá trị màu sắc của điểm đó. Các thanh ghi dữ liệu vào của Pixel Shader sẽ 
nhận dữ liệu vào là các giá trị nội suy của vertex. Chức năng của các texture 
sampler là dùng tọa độ texture từ các thanh ghi đầu vào để lấy mẫu texture và trả về 
giá trị màu lấy được. 
 Tương tự như Vertex Shader, Pixel Shader sẽ ghi các giá trị kết quả vào các 
thanh ghi đầu ra (thường là giá trị màu sắc của điểm ảnh). Thanh ghi đầu ra sau khi 
nhận dữ liệu sẽ trả dữ liệu về cho Graphic Pipeline để xử lý tiếp giai đoạn 2. 
 Sau đây là danh sách các loại thanh ghi được dùng trong Pixel Shader và chức 
năng của chúng. 
 Thanh ghi dữ liệu vào (input registers) chứa dữ liệu đầu vào (nhận được từ 
quá trình xử lý đối tượng cơ sở (Primitive processing)). 
 Thanh ghi hằng (constant registers) chứa các hằng số dùng trong ALU. 
 Thanh ghi tạm (temporary registers) chứa các dữ liệu tạm thời. 
 Thanh ghi dữ liệu ra (output registers) chứa kết quả tính toán của Pixel 
Shader. 
 Thanh ghi điều khiển (Flow control registers) điều khiển thứ tự các vi lệnh 
được thực thi. 
 Texture sampler dùng tọa độ texture để lấy mẫu texture sau đó trả về lại cho 
Shader. 
 Các vi lệnh trong Pixel Shader chính là thành phần chính của Pixel Shader. Các 
vi lệnh đảm nhận việc thực thi một số tác vụ toán học trên dữ liệu ví dụ như tính 
tích vô hướng (dot product), nhân ma trận, tính vector đơn vị... Danh sách các loại 
thanh ghi cũng như các vi lệnh có thể kham thảo trong Direct3D SDK.