比較 OpenGL ES 2.0 著色器流程與 Direct3D

發行項
03/28/2024

重要 API

Input-Assembler 階段
頂點著色器階段
畫素著色器舞台

在概念上，Direct3D 11 著色器流程與 OpenGL ES 2.0 中的流程非常相似。然而，就 API 設計而言，用於建立和管理著色器階段的主要元件是兩個主要介面 ID3D11Device1 和 ID3D11DeviceContext1 的一部分。本主題嘗試將常見的 OpenGL ES 2.0 著色器流程 API 模式對應至這些介面中的 Direct3D 11 對等專案。

檢視 Direct3D 11 著色器流程

著色器物件是使用 ID3D11Device1 介面上的方法建立的，例如 ID3D11Device1::CreateVertexShader 和 ID3D11Device1::CreatePixelShader。

Direct3D 11 圖形流程由 ID3D11DeviceContext 1 介面的執行個體管理，並具備下列階段：

Input-Assembler 階段。輸入組裝器級向流程提供資料 (三角形、線和點)。支援此階段的 ID3D11DeviceContext1 方法以 IA 為字首。
頂點著色器階段：頂點著色器階段處理頂點，通常執行變換、蒙皮和照明等操作。頂點著色器一律會取一個輸入頂點，並產生一個輸出頂點。支援此階段的 ID3D11DeviceContext1 方法以 VS 為字首。
Stream-Output Stage：串流輸出階段會將原始資料從流程串流到記憶體，並傳送至點陣化程式。資料可以串流輸出和/或傳送到點陣化程式。流出到儲存器的資料可以作為輸入資料再循環回流程或從 CPU 讀回。支援此階段的 ID3D11DeviceContext1 方法以 SO 為字首。
點陣化程式舞台：點陣化程式會裁剪原件、準備畫素著色器的原件，以及決定如何叫用畫素著色器。您可以停用點陣化，方法是通知流程沒有畫素著色器 (使用 ID3D11DeviceContext::PSSetShader，將畫素著色器舞台設定為 NULL)，以及停用深度與樣板測試 (在 D3D11_DEPTH_STENCIL_DESC 中將 DepthEnable 與 StencilEnable 設定為 FALSE)。停用時，光柵化相關的流程計數器將不會更新。
Pixel-Shader Stage - 像素著色器階段會接收原始專案的內插資料，並產生每個畫素的資料 (例如顏色)。支援此階段的 ID3D11DeviceContext1 方法以 PS 為字首。
Output-Merger Stage：輸出合併階段將各種型別的輸出資料 (畫素著色器值、深度和模板資訊) 與渲染目標和深度/模板緩衝區的內容合併，以生成最終流程結果。支援此階段的 ID3D11DeviceContext1 方法以 OM 為字首。

(也有幾何著色器、外殼著色器、鑲嵌器和領域著色器的階段，但由於它們在 OpenGL ES 2.0 中沒有類似物件，因此我們不在此討論。) 如需這些階段的完整方法清單，請參閱 ID3D11DeviceContext and ID3D11DeviceContext1 參考頁面。 ID3D11DeviceContext1，為 Direct3D 11 擴充 ID3D11DeviceContext。

建立著色器

在 Direct3D 中，在編譯和載入著色器資源之前，不會建立著色器資源；相反，當載入 HLSLis 時，會建立資源。因此，沒有與 glCreateShader 直接類似的函式，後者會建立特定型別 (例如 GL_VERTEX_SHADER 或 GL_FRAGMENT_SHADER) 的初始化著色器資源。相反，著色器是在載入 HLSL 後建立的，載入諸如 ID3D11Device1::CreateVertexShader、ID3D11Device1::CreatePixelShader 等特定函式，這些函式將型別和編譯的 HLSL 作為參數。

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
glCreateShader	在成功載入編譯的著色器物件，並傳遞為緩衝區後，呼叫 ID3D11Device1::CreateVertexShader 和 ID3D11Device1::CreatePixelShader。

編譯著色器

Direct3D 著色器必須在 Universal Windows Platform (UWP) 應用程式中預先編譯為已編譯的著色器物件 (.cso) 檔案，並使用其中一個 Windows 執行階段檔案 API 載入。 (桌面應用程式可以在執行階段從文字檔或字串編譯著色器。) CSO檔案是從屬於Microsoft Visual Studio專案的任何.hlsl檔案建置的，且保留相同的名稱，但只具有.cso檔案副檔名。運貨時，請將它們包含在包裝中！

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
glCompileShader	N/A。在 Visual Studio 中將著色器編譯為 .cso 檔案，並將它們包含在套件中。
將 glGetShaderiv 用於編譯狀態	N/A。如果編譯中有錯誤，請參閱 Visual Studio 的 FX 編譯器 (FXC) 的編譯輸出。如果編譯成功，則會建立對應的 CSO 檔案。

載入著色器

如建立著色器一節所述，當對應的 CSO 檔案載入緩衝區並傳遞至下表中的其中一個方法時，Direct3D 11 會建立著色器。

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
ShaderSource	成功載入編譯的著色器物件後，呼叫 ID3D11Device1::CreateVertexShader 和 ID3D11Device1::CreatePixelShader。

設定流程

OpenGL ES 2.0 有著色器程式物件，其中包含多個用於執行的著色器。個別著色器會附加至著色器程式物件。不過，在 Direct3D 11 中，您會直接使用轉譯前後關聯 (ID3D11DeviceContext1)，並在它上建立著色器。

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
glCreateProgram	N/A。 Direct3D 11 不使用著色器程式物件抽象。
glLinkProgram	N/A。 Direct3D 11 不使用著色器程式物件抽象。
glUseProgram	N/A。 Direct3D 11 不使用著色器程式物件抽象。
glGetProgramiv	使用您建立給 ID3D11DeviceContext1 的參照。

使用靜態 D3D11CreateDevice 方法建立 ID3D11DeviceContext1 和 ID3D11Device1 的執行個體。

Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D11Device1>          m_d3dDevice;
Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D11DeviceContext1>  m_d3dContext;

// ...

D3D11CreateDevice(
  nullptr, // Specify nullptr to use the default adapter.
  D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE,
  nullptr,
  creationFlags, // Set set debug and Direct2D compatibility flags.
  featureLevels, // List of feature levels this app can support.
  ARRAYSIZE(featureLevels),
  D3D11_SDK_VERSION, // Always set this to D3D11_SDK_VERSION for UWP apps.
  &device, // Returns the Direct3D device created.
  &m_featureLevel, // Returns feature level of device created.
  &m_d3dContext // Returns the device's immediate context.
);

設定視角

在 Direct3D 11 中設定視角與在 OpenGL ES 2.0 中設定視角的方式非常相似。在 Direct3D 11 中，呼叫 ID3D11DeviceContext::RSSetViewports (具有設定的 CD3D11_VIEWPORT)。

Direct3D 11：設定視角。

CD3D11_VIEWPORT viewport(
        0.0f,
        0.0f,
        m_d3dRenderTargetSize.Width,
        m_d3dRenderTargetSize.Height
        );
m_d3dContext->RSSetViewports(1, &viewport);

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
glViewport	CD3D11_VIEWPORT、ID3D11DeviceContext::RSSetViewports

設定頂點著色器

在 Direct3D 11 中配置頂點著色器會在載入著色器時完成。使用 ID3D11DeviceContext1::VSSetConstantBuffers1，將校服傳遞為常數緩衝區。

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
glAttachShader	ID3D11Device1::CreateVertexShader
glGetShaderiv、glGetShaderSource	ID3D11DeviceContext1::VSGetShader
glGetUniformfv、glGetUniformiv	ID3D11DeviceContext1::VSGetConstantBuffers1。

設定畫素著色器

在 Direct3D 11 中設定畫素著色器會在載入著色器時完成。使用 ID3D11DeviceContext1::PSSetConstantBuffers1 將校服傳遞為常數緩衝區。

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
glAttachShader	ID3D11Device1::CreatePixelShader
glGetShaderiv、glGetShaderSource	ID3D11DeviceContext1::PSGetShader
glGetUniformfv、glGetUniformiv	ID3D11DeviceContext1::PSGetConstantBuffers1。

正在產生最終結果

當流程完成時，將著色器階段的結果繪製到後緩衝區。在 Direct3D 11 中，就像使用 Open GL ES 2.0 一樣，這牽涉到呼叫繪製命令，將結果輸出為後台緩衝區中的色彩對應，然後將該返回緩衝區傳送至顯示器。

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
glDrawElements	ID3D11DeviceContext1::Draw、ID3D11DeviceContext1::DrawIndexed (或 ID3D11DeviceContext1 上的其他 Draw* 方法)。
eglSwapBuffers	IDXGISwapChain1::Present1

將 GLSL 移轉至 HLSL

GLSL 和 HLSL 除複雜的型別支援和語法一些整體的語法之外，並沒有很大的不同。許多開發者發現兩者之間連線最容易的是將常見的 OpenGL ES 2.0 指令和定義混疊到他們的 HLSL 等價物上。請備註，Direct3D 使用 Shader Model 版本來表示圖形介面所支援的 HLSL 功能集；OpenGL 對 HLSL 有不同的版本規格。下表試圖根據另一個版本為您提供有關為 Direct3D 11和 OpenGL ES 2.0 定義的著色器語言功能集的一些大致概念。

著色器語言	GLSL 功能版本	Direct3D 著色器模型
Direct3D 11 HLSL	~4.30。	SM 5.0
適用於 OpenGL ES 2.0 的 GLSL ES	1.40。舊的 OpenGL ES 2.0 的 GLSL ES 實現可以使用 1.10 到 1.30。使用 glGetString (GL_SHADING_LANGUAGE_VERSION) 或 glGetString (SHADING_LANGUAGE_VERSION) 檢查原始程式碼以判定它。	~SM 2.0

如需有關兩種著色器語言之間差異的詳細資訊，以及一般語法對應，請閱讀 GLSL-to-HLSL reference。

將 OpenGL 內部函式移植到 HLSL 語義

Direct3D 11 HLSL 語義是字串，類似於統一或屬性名稱，用來識別在應用程式與著色器程式之間傳遞的值。雖然它們可以是任何可能的字串，但最佳做法是使用表示用途的字串，如 POSITION 或 COLOR。當您建構常數緩衝區或緩衝區輸入配置時，可以指定這些語意。您也可以將 0 到 7 之間的數字附加到語義，以便使用單獨的暫存器來表示類似的值。例如：COLOR0、COLOR1、COLOR2...

前置為 SV_ 的語義是由著色器程式寫入的系統值語義；您的應用程式本身 (在 CPU 上執行)無法修改它們。通常，這些值包含來自圖形流程中另一個著色器階段的輸入或輸出，或完全由 GPU 生成的值。

此外，SV_ 語義在用於指定著色器階段的輸入或輸出時具有不同的行為。例如，SV_POSITION (輸出) 包含頂點著色器階段期間轉換的頂點資料，而 SV_POSITION (輸入) 包含點陣化期間內插的畫素位置值。

以下是一些常見的 OpenGL ES 2.0 著色器內建對應：

OpenGL 系統值	使用此 HLSL 語義
gl_Position	頂點緩衝區資料的 POSITION (n)。 SV_POSITION 會提供畫素位置給畫素著色器，且無法由應用程式寫入。
gl_Normal	NORMAL (n)，表示由頂點緩衝區提供的法向資料。
gl_TexCoord[n]	紋理 UV 的 TEXCOORD (n) (某些 OpenGL 文件中的 ST) 座標資料提供給著色器。
gl_FragColor	提供給著色器的 RGBA 色彩資料的 COLOR (n)。請備註，在協調資料時，會一併處理它；語義只是協助您識別它是色彩資料。
gl_FragData[n]	SV_Target[n]，用於從畫素著色器寫入到目標紋理或其他畫素緩衝區。

您為語義編寫程式碼的方法與在 OpenGL ES 2.0 中使用內部函式的方法不同。在 OpenGL 中，您可以直接存取許多內建函式，而不需任何組態或宣告；在 Direct3D 中，您必須在特定常數緩衝區中宣告欄位，才能使用特定的語義，或宣告它是著色器 main () 方法的傳回值。

以下是常數緩衝區定義中使用的語意範例：

struct VertexShaderInput
{
  float3 pos : POSITION;
  float3 color : COLOR0;
};

// The position is interpolated to the pixel value by the system. The per-vertex color data is also interpolated and passed through the pixel shader. 
struct PixelShaderInput
{
  float4 pos : SV_POSITION;
  float3 color : COLOR0;
};

這個程式碼定義一對簡單的常數緩衝區

下面是一個用來定義片段著色器所傳回值的語意範例：

// A pass-through for the (interpolated) color data.
float4 main(PixelShaderInput input) : SV_TARGET
{
  return float4(input.color,1.0f);
}

在這種情況下，SV_TARGET 是在著色器完成執行時寫入畫素顏色 (定義為具有四個浮點值的向量) 的渲染目標位置。

如需在 Direct3D 中使用語意的詳細資訊，請閱讀 HLSL Semantics。

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