vs如何写多线程_VS + PS + GS
VS + PS + GS
最近一直有人問我，我的書章節有沒有順序。我本人讀書，很不喜歡按部就班，一點一點往下看這個套路，所以我也就沒有規定章節。在我看來，除了教材按部就班以外，很多書，都應該是單獨章節的，想看什么就是什么，想看材質就看材質，想看陰影就是陰影，而不是說必須先看什么，再到什么。
但是，不得不說，如果非要論順序，本章節按道理是比較靠前的。原因無他，因為本章節，是大部分章節的基礎。如果VS，PS都不熟，看陰影章節，按道理是看不下去的。但是，我寫陰影章節的時候，預計會默認已經有了一定的圖形學基礎。
閑話少說，先來一波解釋。VS，一般叫Vertex Shader，中文有個翻譯叫做頂點著色器。PS，一般是指Pixel Shader，有時候也叫FS，有個中文翻譯叫像素著色器。GS，也就是Geometry Shader，中文一般翻譯做集合體著色器。
如果自己寫過軟光柵，其實比較好理解這些著色器的各個階段。沒寫過的話，強烈推薦寫一次。實在沒有寫過又想往下看，我勉為其難解釋一下。
假設在CPU做一個軟光柵，不考慮多線程軟光柵的話，大概是這樣：
For(int i = 0; i < 三角形數量; i++)
{
RenderTriangle(); // 渲染三角形
}
RenderTriangle這個函數大概是怎么弄呢？你渲染的時候，總得先判斷這個三角形在不在屏幕上，在屏幕的坐標啊。這部分，叫做坐標變換，也就是VS的主要工作之一。
有一個矩陣，叫做WorldViewProjection，簡稱WVP。你用WVP * Position，就能夠得到屏幕坐標。當然了，實際上要稍稍復雜一點，因為還需要轉換到屏幕坐標系。這部分內容，我記得以前應該講過，這里還是簡單復習一下，完全熟悉這塊的略過。普通的坐標系，書本上叫做平面直角坐標系，大概是這樣：
但是，屏幕坐標，你懂的，左上角是0，0，右下角是1920，1080。所以，這里有個坐標變換，而這個，是不需要你自己在VS里面做的，硬件就會幫你做了。但是，寫軟光柵，這部分需要自己做。本來想找找自己軟光柵的代碼貼一下，一下子找不到，算了。
所以，VS的核心功能，其實就是把三角形變換到屏幕上。其他都是次要功能。大多數簡單的VS，大概率就是這樣一行代碼：
那么，這么簡單的話，VS要來何用？當然了，很多時候，我們必須用到VS。例如，我們最常見的水面波動，就可以用VS來做。
怎么做？我開始折騰VS，就是練習自己寫水面。最簡單的做法，你可以傳入一個時間，然后在VS里面花式sin一下。你可以sin一下position的高度，可以sin（t * pos.y），也可以sin(t * pos.length)，反正就是各種算，然后，你會慢慢摸索并且理解VS，盡管你做的效果很糟糕。
這里涉及到一個問題。無時無刻，你要切記：VS、PS、GS，都是執行在GPU中的程序，而引擎里的代碼，基本上都是執行在CPU的，所以這里涉及到CPU跟GPU的同步，例如，這個時間，GPU是不知道的，而CPU可以輕易通過系統的API獲得，例如典型的c函數time(NULL)，例如GetTickCount……。所以，這里需要CPU把時間傳入到GPU。怎么傳入？不同的shader語言其實有不同的做法，一般的書里都是介紹用Uniform變量，例如這種：
我一般不這樣介紹，不同語法有不同的做法，例如典型的dx11里面，可以用const buffer。Const buffer好像最大是1024還是2*1024，可以查一下MS的文檔，我大概率不會記錯。這個必須16字節對齊，然后自己memcpy到這個里面就可以了。不同的圖形API，例如metal，GL，Vulkan等等，都可能是不同的，理解這個原理就好了，不同的API，查查文檔即可。
所以切記，幀的概念。每一幀，CPU都需要更新每一個Mesh的傳入GPU的變量。大概率，引擎里面，都會計算這個Mesh的WVP，然后傳入到GPU。模型越多，這個效率自然也就越低。
這么簡單的介紹，是不是有VS不外如是的感覺？可以有這種感覺，沒有錯。但是，當你非常純熟，爐火純青的時候，VS有很多優化，提升性能的妙用。
舉個例子，現在有一大片草地，你有1000棵草，這些草隨風而動。你可以這么干：大概計算一個風力，方向，然后計算這個草的偏移，大概可以這樣：
For(int i = 0; i < 1000; i++)
{
//計算每一棵草的頂點偏移。
GrassYaw(i);
}
這其實是用CPU來算，我沒記錯的話，早期OGRE的Grass的DEMO，就是這么干的。但是顯然，這么干效率低下，可以用GPU做優化。GPU優化聽起來高大上，無非就是把這個計算，放在VS里面干。
為什么GPU做這種事更快？強調一千遍，GPU是并行的，在CPU里，你需要循環1000次，GPU直接開1000個線程執行一次，哪個更快是顯而易見的事。
所以，對于剛入門的人來說，VS就是一個簡單的空間變換。但是，寫得多了，什么東西該在VS里面，什么東西該在CPU里做，什么時候要上CS，輕易就能找到最優方案，這就是能力的不同。
回歸正題，VS做了坐標變換之后，已知某個三角形要顯示在某個像素上，那么，現在需要計算這個像素的顏色，這部分工作，其實就是PS來做的。這部分，在很原始的階段，主要就是做一個像素采樣。所謂像素采樣，就是根據UV坐標，計算這個像素該顯示圖片上的什么顏色。這部分，我應該已經在之前的材質章節講過。不打算再詳細講了。這里，主要講講PS能做些什么東西，一般用來做什么。
這個是最簡單的PS，直接返回一個白色。無論你玩什么花樣，傳入什么參數，都沒用，直接返回白色。
這個，就是最簡單的紋理采樣，根據UV坐標，采樣紋理。有大佬說，怎么我看到的跟你這里的不一樣？當然可能不一樣，例如dx9的hlsl，大概率是這樣一個函數：
tex2D();
采樣的函數有很多，不同的圖形API，不同的版本，都可能不同，但是基本原理是一樣的。這類函數一般有一個系列，例如texCube(), tex2DLod()，隨便去搜一個hlsl說明文檔，你能看到一大堆。這類函數有區別嗎？還是有區別的，采樣cube圖，或者lod此類的，各有不同。我不打算在這里詳細講，需要的話，可以看文檔。沒記錯的話，我在紋理章節里，應該有涉及到一些，例如就是紋理LOD的，其實就是紋理的mipmap，所謂的雙線性采樣，三線性采樣，如何求偏導數，應該都有講過。
那么，PS里能干什么？但凡跟屏幕顏色相關的，都可以做。舉例：做一個簡單的漸變效果，例如一個人物，在場景里面慢慢的顯示出來或者消失，就可以通過一個alpha來做一個漸變，在PS里面實現。大概是這樣即可：
你可以在CPU里面，把Alpha的值，在3秒的時間內，從0到1，或者從1到0，就可以實現這類漸變。你還可以這里玩各種花樣，例如人物穿一身衣服，漸變切換到另外一身衣服，諸如此類的東西，都極其簡單。多寫幾次就會了，沒什么難度。
除了漸變，常見的，還可以做模糊。最簡單的模糊怎么做？例如你要采樣的坐標是UV，那么你采樣的時候，把周邊的像素都采樣了，求個平均值，這就是最簡單的模糊算法。會顯示一個虛像，整個畫面變得模糊。大概可以這樣干：
看到了嗎？其實就是采樣了周邊的像素，加權求平均，就是如此簡單。后續講陰影的時候，會有專門講到，陰影的邊緣是如何做模糊的，其實最簡單的做法，也是這么干，就能實現陰影邊緣的鋸齒變模糊。
PS還有一個非常常見的應用。這個應用，有一個比較奇怪的名字，叫“后處理”。我不知道正規的書籍是不是這么翻譯的，不同的引擎這個叫法不同，例如在OGRE里面，這個叫做Compositor。而在UE4里面，這個叫做Post Process Volume。主要做些什么呢？例如DOF（Depth Of View，景深），Blur（模糊），HDR……諸如此類的種種效果，都是用的所謂的“后處理”。說起來玄乎，其實很簡單。先正常渲染，得到一張圖片，然后對這張圖片重新處理一下，實際上就是再在屏幕上畫一個矩形，剛好滿屏，就是（-1，1）之間即可，然后在PS里實現各種效果，例如可以調色，可以理解為photoshop里面的濾鏡。很多奇奇怪怪的效果，都是這樣實現的。例如游戲里，一刀砍過去，整個屏幕一陣抖動，看起來很玄乎，都是類似的應用。這個應用有一個大硬傷，就是不支持傳統的AA（抗鋸齒），例如MSAA。這里，擴展講一下AA，AA其實可以單獨開章節講的，畢竟內容很多，方案很多，光是一個單獨的TXAA就很多內容。不過好像資料已經很多了，抄書也沒什么意思。傳統FSAA的原理，其實就是放大渲染，例如你現在渲染1920 * 1080的窗口，那么4倍抗鋸齒，就是渲染一個4 * 1920， 4 * 1080的大圖片。自己寫過軟光柵就知道，每個像素點都是需要計算光柵化的，像素點越多，渲染效率越低，這就是為什么現在4K，8K流行不起來的重要原因。所以說，AA非常的占資源。MSAA改進了一點，只把邊緣部分放大渲染，然后再縮小。這部分，是在硬件里面實現的。也就是說，你只需要開啟NV的選項即可，什么都不用干。這就帶來一個問題，你渲染到紋理的時候，是沒有抗鋸齒的，所以，早期實現什么HDR之類的，都是犧牲了抗鋸齒為代價。不過后來，有一些新式的抗鋸齒方式，例如FXAA，TXAA，這類技術，是不需要像MSAA一樣的。不過FXAA的效果，講真，一言難盡。反正我很不喜歡，基本不用。效果比較模糊不說，在一些場景，例如森林，樹葉比較多的場景，邊緣檢測實在是有點糟糕。最近兩年AA技術有沒有什么新東西我不知道，早幾年，UE4只有兩種AA可選，就是FXAA跟TXAA。主要是早幾年延遲渲染大行其道，而延遲渲染其實也是MRT（multi render target）的后處理，其實就是一次不是渲染一張圖片，而是渲染好幾張圖片，把顏色，坐標、法線等等渲染出來，統一再在PS里面處理一遍，跟后處理的區別只是渲染圖片數的不同。
PS復雜的玩法還有很多，例如光照計算，例如所謂的PBR材質計算，例如陰影的計算……基本都是在PS里面完成。這里，我不打算一一介紹。我這里只打算科普一下PS是個什么，怎么用，而不是打算寫一個《PS應用實戰案例分析》。PS的實戰，需要漫長的時間，一點一點的積累，一點一點的磨，才能有所收獲。這也是圖形學太過于枯燥跟難以掌握的原因之一。
GS，幾何體著色器。
以上，整個渲染流程都已經有了，為什么還需要GS？GS能干什么？其實，在AI大火之前，Nvidia一直很艱難。市值一直只有80億就是明證。知乎上說起來高工資，都是說FLAG，從來沒聽說AMD，NV入列。那個時候，nvidia基本上all in游戲，一直致力于解決游戲里碰到的，然后CPU不好解決的問題。我認為GS的出現，也是這個原因。
舉例：假設游戲里，你需要漫天的雪花掉落，這是不是一個很常見的需求？
漫天的花瓣掉落，是不是一個很常見的需求？
早期，你需要這么干：有一個粒子發射器，然后計算發射了多少個粒子，然后每個粒子畫一個矩形，貼上貼圖。假設某幀創建了100個花瓣，你需要這樣：
// 申請一塊顯存/內存。其實一般是寫入內存，寫好了再memcpy傳入顯存。
AllocVideoMemory();
For(int i = 0; i < 100; i++)
{
// 畫Quad
CreateQuad();
// 一般花瓣不會只有一個材質，太單調，可以隨機一下材質
RandTexture();
// 把計算結果cpy到內存，后面再統一到顯存
CpyToMemory();
}
TransferToVideoMemory();
這里，就有優化空間了。例如這個計算Quad，本身是大量并行的重復的操作，你要算vertex，index，比較麻煩。這部分工作，就可以交給GPU來做，這就是GS的用途。
也可能GS有其他用途，反正我就用來做過粒子的優化，其他的我沒用過。
一句話總結：GS就是在GPU里生成幾何體。你可以把生成幾何體，當作是一個函數，傳入一些參數，得到幾何體。那么，傳入的參數，肯定是CPU傳入。而計算部分，放到GPU，充分利用了GPU多線程的優勢。
那么GS是怎么做的呢？我的做法是：只需要傳入一個頂點，我直接在GS里面計算Quad，圓形等等。我的代碼大概是這樣的：
struct Quad
{
float4 Pos[6];
};
Quad BuildQuadFromPoint(float4 P)
{
Quad Q;
Q.Pos[0] = P;
Q.Pos[0] = Q.Pos[0] + float4(-0.2f, -0.2f, 0, 0);
Q.Pos[1] = P;
Q.Pos[1] = Q.Pos[1] + float4(-0.2f, 0.2f, 0, 0);
Q.Pos[2] = P;
Q.Pos[2] = Q.Pos[2] + float4(0.2f, 0.2f, 0, 0);
Q.Pos[3] = P;
Q.Pos[3] = Q.Pos[3] + float4(0.2f, 0.2f, 0, 0);
Q.Pos[4] = P;
Q.Pos[4] = Q.Pos[4] + float4(0.2f, -0.2f, 0, 0);
Q.Pos[5] = P;
Q.Pos[5] = Q.Pos[5] + float4(-0.2f, -0.2f, 0, 0);
return Q;
}
[maxvertexcount(18)]
void MainGS(triangle in VertexShaderOutput vertexData[3], inout TriangleStream<VertexShaderOutput> triStream)
{
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
Quad Q = BuildQuadFromPoint(vertexData[i].Position);
VertexShaderOutput VSO[6];
for (int j = 0; j < 6; j++)
{
VSO[j].Position = Q.Pos[j];
}
triStream.Append(VSO[0]);
triStream.Append(VSO[1]);
triStream.Append(VSO[2]);
triStream.RestartStrip();
triStream.Append(VSO[3]);
triStream.Append(VSO[4]);
triStream.Append(VSO[5]);
triStream.RestartStrip();
}
}
GS里面有一些規則，例如需要定義輸入的是什么數據，輸出的是什么數據，諸如此類的東西。我這里不打算深入講解了，我當初是去MS的官網上看的，但凡理解了原理，看這類規則，都是極其簡單的事，我都是一遍過就能隨便寫了。
GS比較核心的語法，主要是兩個，一個是輸入參數，一個是輸出參數。還有一點，是GS應該是不支持Vertex，Index的套路的，也就是說，只支持頂點直接構建三角形，所以上面我的代碼，一個QUAD其實是計算了6個頂點，而不是4個。還有一個是RestartStrip()這個函數，好像一個三角形之后必須這么來一下。細節不大記得了，自己測試一下或者找找文檔即可。
摸清楚這些規則的時候，可以很簡單的測試一下。例如你傳入三個頂點，或者傳入一個三角形，每個頂點再畫一個QUAD，一天的時間足夠摸清楚這些規則。如果這點功夫都不愿意花，只希望伸手，放棄吧，搞圖形學是沒有前途的。
以上所有代碼，除了那個uniform的那個是抄的，其他全部是我手寫，并且都是經過驗證的，能用的。但是基本都是N年前的代碼了，長時間沒有測試過也沒有跑過了，不保證是不是給改壞過了。但是大概率能跑。
江湖越老，人越懶，章節越寫越短。不喜可噴。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的vs如何写多线程_VS + PS + GS的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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