032-高级着色器语言参考

高级着色器语言参考

高级着色器语言(High-Level Shading Language, HLSL)是DirectX平台上用于编写图形着色器程序的专用编程语言。熟练掌握HLSL对于充分利用现代GPU硬件能力、实现高质量的视觉效果至关重要。本附录提供了HLSL的语法和功能参考，帮助开发者编写高效的着色器程序。

B.1 变量类型

HLSL提供了多种数据类型，用于处理着色器中的不同数据。这些类型包括基本标量类型、向量类型、矩阵类型以及特殊的纹理和采样器类型。

B.1.1 标量类型

标量类型表示单一的数值，是HLSL中最基本的数据类型：

示例：

hlsl

// 标量类型定义示例
bool isVisible = true;
int count = 42;
uint index = 0xFFFFFFFF;
float alpha = 0.5f;
double preciseValue = 3.14159265359;

B.1.2 向量类型

向量类型表示由多个同类型元素组成的数组。HLSL中向量可以有1到4个元素，最常用的是2、3、4元素向量：

HLSL还提供了一些常用向量类型的别名：

向量可以通过多种方式进行初始化和访问：

hlsl

// 向量定义和初始化
float4 color = float4(1.0f, 0.5f, 0.3f, 1.0f);
float3 position = float3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
float2 texCoord = float2(0.5f, 0.5f);

// 向量分量访问 - 使用索引
float red = color[0];
float height = position[1];

// 向量分量访问 - 使用分量名称
float r = color.r;     // color.x 也可以
float g = color.g;     // color.y 也可以
float b = color.b;     // color.z 也可以
float a = color.a;     // color.w 也可以

// 向量分量访问 - 使用掩码提取部分向量
float2 rg = color.rg;  // 等价于 float2(color.r, color.g)
float3 bgr = color.bgr; // 等价于 float3(color.b, color.g, color.r)

B.1.3 矩阵类型

矩阵类型表示由行和列组成的二维数组。HLSL支持1x1到4x4的各种矩阵尺寸：

常用的矩阵类型别名：

矩阵的定义和使用：

hlsl

// 矩阵定义和初始化
float4x4 modelMatrix = {
    1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
    0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
    0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
    0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f
};

// 或者使用单一值初始化对角矩阵
float4x4 identity = float4x4(1.0f);

// 矩阵元素访问
float m00 = modelMatrix[0][0]; // 第一行第一列
float m12 = modelMatrix[1][2]; // 第二行第三列

// 矩阵行访问
float4 firstRow = modelMatrix[0];

// 矩阵乘法
float4x4 viewMatrix = GetViewMatrix();
float4x4 viewModelMatrix = mul(modelMatrix, viewMatrix); // 注意乘法顺序

// 向量与矩阵乘法
float4 worldPosition = float4(position, 1.0f);
float4 viewPosition = mul(worldPosition, viewMatrix);

HLSL中的矩阵默认是行优先的，这一点与数学上常用的列优先表示有所不同。在涉及矩阵乘法时需要特别注意顺序。

B.1.4 数组

HLSL支持一维和多维数组，用于存储同类型的多个元素：

hlsl

// 一维数组定义
float4 colors[3] = {
    float4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f),
    float4(0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f),
    float4(0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f)
};

// 多维数组定义
float heights[2][3] = {
    { 0.0f, 1.0f, 2.0f },
    { 3.0f, 4.0f, 5.0f }
};

// 数组元素访问
float4 redColor = colors[0];
float heightValue = heights[1][2]; // 值为5.0f

在着色器常量缓冲区中，数组的大小必须在编译时确定，但DirectX 11.1及以上版本支持动态索引数组元素，这在某些应用场景中非常有用。

B.1.5 结构体

结构体允许将不同类型的变量组合成一个单一的复合类型：