Introduction au développement de Shader pour Realm Crafter

Introduction au développement de
Shader pour Realm Crafter
Table des matières:
_ Introduction
_ Qu‟est ce qu‟un shader et qu‟est ce que ça signifie?
_ Les Vertex Shaders
L‟espace Objet (Object Space)
L‟espace Univers (World Space)
L‟espace Vue (View Space)
L‟espace écran (Screen Space)
_ Les Pixel Shaders
_ Les effets de structure (Effect Structure)
Les Constantes
Déclaration de Vertex
Code de Shader
Techniques et Passes
_ Et maintenant?
Introduction
C‟est à la fois un tutorial et une page d‟information qui traite
principalement de Realm Crafter. Certaines parties peuvent être, et, sont,
issues d‟autres softwares. Aussi, ce tutorial ne vous apprendra pas grand
chose en math; Realm Crafter a la gentillesse de nous proposer
gratuitement de petites fonctions pour nous aider avec l‟éclairage et le fog
(brouillard, flou). Maintenant que ce petit Avertissement est passé,
passons aux choses sérieuses…
Qu‟est ce qu‟un shader et qu‟est ce que ça signifie?
Un shader c‟est juste un tout petit programme/code qui agira directement
sur le GPU (carte graphique). Il y a 3 types de shader; vertex, geometry
et pixel. Je n‟évoquerai pas les geometry shaders, du fait qu‟ils ne
fonctionnent qu‟avec D3D10+.
Quand un objet est représenté, le GPU travaille énormément pour
retranscrire toutes vos informations 3D (groupes de triangles/faces et les
textures) vers une image en 2D sur votre moniteur. Il y a une foule
d‟étape à traverser avant que chaque vertex et pixel ne soit mis en
“rendu” (affiché en 3d); ici, seule les étapes dites « programmables » sont
les seules à nous intéresser pour le moment.
Un mesh est constitué d‟une grosse liste de triangles qui eux-mêmes sont
composés de 3 sommets (3 vertices = vertex au pluriel). Un vertex aura,
au moins, une position; même s‟il pourra contenir également d‟autres
informations (comme la couleur). Le vertex shader consiste à capturer le
rendu de chaque vertex et à transformer ses coordonnées 3D en
coordonnées 2D à l‟écran. Ensuite, nous pourrons appliquer d‟autres effets
au vertex comme l‟éclairage et le fog.
Prenons un triangle, imaginez chaque point qui passerait par le vertex
shader. L‟étape suivante consisterait donc à remplir le triangle avec une
couleur ou avec une texture. Un pixel shader consiste à texturer chaque
pixel du triangle. Ça peut être encore plus poussé; nous pourrons ensuite
travailler sur un éclairage plus avancé en utilisant une normal map ou un
parallax mapping.
Les Vertex Shaders
La fonction principale du vertex shader, c‟est de transformer la position
du vertex, depuis l‟espace object (object programmables) vers l‟espace
écran (programmables programmables). La prochaine partie est plus
mathématique, attention.
L‟espace Objet (Object Space)
Quand vous créez un model, vous centralisez tous ses sommets (vertices)
autour d‟un point d‟origine. Ces sommets sont dans “L‟espace Objet” et
ces mêmes sommets sont renvoyés dans le vertex shader.
L‟espace Univers (World Space)
Vous aurez probablement plusieurs copies de votre mesh dans une même
scène. Le mesh lui-même ne change pas; les sommets sont toujours
contenus dans l‟espace objet. Toutefois, Le moteur retiendra la
transformation de l‟objet par rapport à son origine dans l‟univers. La 1ère
tâche de votre vertex shader consistera à combiner les sommets de
l‟espace objet avec la transformation depuis le moteur. Résultat, les
sommets seront inclus dans l‟espace univers.
L‟espace Vue (View Space)
Parfois on le nomme également “L‟espace caméra” (Camera Space), il
définit le rapport du vertex (sommet) à la caméra. La camera peut avoir
n‟importe quelle position dans une scène; donc tous vos vertex doivent
être déplacés correctement de façon à toujours lui faire face. Dans
l‟espace univers, nous pouvons déterminer à quelle distance un vertex se
situe par rapport à la scène d‟origine. Dans l‟espace vue, nous pouvons
désormais trouver où le vertex se situe par rapport à la caméra réelle.
L‟espace écran (Screen Space)
La transformation finale traduit les sommets et leurs positions de l‟espace
vue vers l‟écran 2D . L‟espace vue nous indique que les sommets sont
faces à la caméra, donc nous n‟avons plus qu‟à générer une position 2D à
partir de ces derniers. C‟est à partir de ce point que le champs de vision et
son ratio aspect sont pris en considération; les triangles seront étirés pour
s‟adapter en conséquence.
C‟est le processus final dans la transformation du vertex. Cette donnée
est alors utilisée pour l‟étape suivante…
Les Pixel Shaders
Une fois que tous nos triangles/faces ont été rendu; nous devons les
remplir de couleur, pour ainsi dire. Au plus bas niveau, vous pouvez vous
contenter de fournir une couleur à un pixel. Mais au plus haut, vous
pouvez gérer des réflexions complexes, des réfractions et différents
éclairages.
En général, le pixel shader aura une coordonnée de texture. C‟est une
valeur qui sera utilisée pour “rechercher” une texture. La coordonnée aura
une valeur X et une Y qui, pour chacune d‟elle, sera comprise entre 0 et 1
(il est possible que les valeurs soient plus hautes, mais en règle générale
elles restent comprises entre 0-1). Le shader ne tient pas compte des
dimensions de votre texture, à partir des coordonnées de la texture, il se
réfère à une distance relative. Ainsi sur une texture 256x256 , une valeur
de “0.5” fera référence au pixel 128. De même, sur une 512x512, la
même valeur fera référence au pixel 256.
On couvrira l‟ensemble des usages actuels des textures dans la partie
pratique de ce tutorial.
Les effets de structure (Effect Structure)
Les fichiers utilisés par Realm Crafter sont des fichiers Microsoft DirectX
Effect (.fx). Ces derniers nous offrent tout un éventail de fonctions à
utiliser. Dans les derniers jours de D3D8 et au début de D3D9, vous
deviez conserver vos codes séparés, et vous ne pouviez pas avoir un
système de rendu automatisé égale à celui que les moteurs modernes
vous fournissent. Les chapitres suivants vous expliqueront les différentes
sections d‟un fichier .FX.
Les Constantes
Nos programmes de shader ont besoin de recevoir des données depuis
l‟application. Cela inclut:
Les informations de Transformation
_ Textures
_ lumières
_ Fog
_ Bones (pour l‟animation)
Ces variables sont à l‟extérieur du code principal et sont appelés
constantes; Elles sont semblables aux „globals‟ en programmation.
Cependant, les constantes ne peuvent pas être attribuées à partir d'un
shader.
HLSL fournit plus de types de données que les autres langages. Je
n‟inclurai pas la liste complète, mais je vais répertorier quelques uns des
types les plus importants:
float – c’est une valeur numérique qui peut avoir un point décimal; c’est
la base des constantes les plus fréquentes.
float2 – C’est un float à 2 dimensions. Qui comprend les 2 valeur de ‘x’ et
‘y’.
float3 – c’est un float à 3 dimensions. Qui comprend les valeurs de ‘x’,
‘y’ et ‘z’.
float4 – C’est un float à 4 dimensions. Qui comprend les valeurs de ‘x’,
‘y’ et ‘z’, mais également une valeur ‘w’.
float4x4 – C’est la plus utilisée pour les matrices (les types de
transformation). Elles contiennent 16 variables de floating point (imaginé
comme une grille 4x4).
texture – Une simple texture issue du moteur.
Les types Integer (programmables) sont supportés, mais ne sont pas
recommandés. Les GPUs calculent les valeurs du floating point plus
rapidement que celles des programmables
Une constante peut être donnée comme un paramètre spécial connu en
tant que semantic. Realm Crafter utilise des semantics pour connaître
quelles variables sont nécessaires pour contrôler et fournir. Les constantes
peuvent aussi être contenu dans un tableau (défini par des crochets).
Quelques exemples de constantes:
float ObjectAlpha : Alpha;
float3 CameraPos : CameraPosition;
float4x4 WVP : WorldViewProjection;
float4x4 Bones[50] : Bones;
Declaration de Vertex
Une déclaration de Vertex est une structure qui décrit les propriétés d‟un
simple vertex. La plupart des shaders contiennent 2 structures. La 1ére
c‟est la vertex input structure; c‟est le format que le moteur fournit au
shader et qui sera utilisé pour le vertex. Le second c‟est la vertex output
structure; elle contient toutes les données qui seront envoyées du vertex
shader au pixel shader.
Une déclaration de vertex peut indiquer au GPU quelle sorte de propriétés
elle utilise. Par exemple, nous avons quasiment toujours besoin d‟une
variable de position (et le GPU a besoin que nous lui sortions toujours une
position). De plus, nous souhaiterions utiliser les coordonnées de texture
et les couleurs de vertex. Les types de propriétés sont de simples
semantics (comme pour les constantes). Voici une liste des semantics que
vous rencontrerez:
Position – Une position de vertex
Normal/Tangent/BiNormal – Un vertex normal/Tangent/BiNormal;
TexCoordn – Une coordonnée de texture. N fait référence à un index compris
entre 0 et 7, ce qui signifie que vous pouvez avoir jusqu’a 8 coordonnées
de texture par vertex.
Colorn – Une couleur, l’index fonctionne de la même façon que pour les
textures ci-dessus.
Nous pouvons avoir jusqu'à 8 sémantics “TexCoord”. Ça peut sembler
beaucoup, mais en réalité nous les utiliserons plus que de simples
coordonnées de textures. Vous verrez toute à l‟heure qu‟elle sert
également à extraire les informations de lumière.
Quelques exemples de structure:
// Input structure of a normal vertex
struct VSStandard
{
float4 Position : POSITION;
float3 Normal
: NORMAL;
float4 Color
: COLOR0;
float2 TexCoord : TEXCOORD0;
};
// Output structure. Notice how we’re using texture coordinates
//
for other things.
struct VSOut
{
float4 Position
: POSITION;
float2 TexCoord
: TEXCOORD0;
float4 Color
: COLOR0;
float4 Lights
: COLOR1;
float4 Fog
: TEXCOORD1;
float3 Normal
: TEXCOORD2;
float4 Light0Dir : TEXCOORD3;
float4 Light1Dir : TEXCOORD4;
};
Code de Shader
Il s‟agit du code de nos vertex et pixel shader. Ceux sont 2 fonctions
auxquelles nous ferons appel plus tard.
Techniques et Passes
La plus importante, et indispensable, partie du shader c‟est la technique.
Une technique décrit une liste de passes dans le shader. La plupart des
shaders de Realm Crafter auront une seule technique et une seule passe.
Une passe c‟est une instance dans laquelle l‟objet est affiché en rendu. Si
vous avez de multiples passes, l‟objet sera “rendu” (donc) plusieurs fois; il
y aura très peu d‟instances où vous en aurez besoin, ou même pour
lesquelles vous voudriez le faire.
A l‟intérieur d‟une passe, nous stockons les noms de fonctions des 2
vertex shader et pixel shader. Nous stockons également la version du
shader dont les fonctions seront compilés (en général, il s‟agit de la
version 2.0). La partie finale de la pass est une liste des états de rendu.
Un état de rendu (render state) est un paramètre que le GPU pourra
utiliser dans les parties dites non programmables du pipeline de rendu. Je
ne les décrirai pas in dans ce tutorial parce qu‟elles ne sont pas
nécessaires pour le moment.
Un exemple de pass:
technique MyTechnique
{
pass Pass0
{
// Shaders
VertexShader = compile vs_2_0 vs_main();
PixelShader
= compile ps_2_0 ps_main();
// Render states
alphablendenable = true;
srcblend = srcalpha;
destblend = invsrcalpha;
zenable = true;
zwriteenable = true;
}
}
Et maintenant ?
Maintenant, nous allons essayer de créer notre premier shader que nous
utiliserons dans RCP. Rendez-vous dans le Tutorial 2.
Realm Crafter is a registered trademark of Solstar Games, LLC.
Tutorial content may not be copied without permission.
Traduit par Giuliani (Terrier) avec l‟aimable autorisation de Solstar Games, LLC.