[Kytten DevBlog] KyttenShader: 现代的跨平台 Shader 系统

发布于 565 天前

KyttenShader: 现代的跨平台 Shader 系统

KyttenShader 是 Kytten Engine 中的现代的跨平台 Shader 系统，正在开发中。

本人能力有限，如有错误，欢迎指出，一起学习进步！

前置内容

Shader 的反射

通过一些工具的 Shader 反射 (Reflection) 机制，我们可以获得 Shader 代码中定义的输入 (Inputs)、输出 (Outputs)、布局 (Layouts)、缓冲区 (Buffers) 等等。我们可以收集这些反射出来的信息，运用到材质 (Material) 系统中。

Slang

Slang 是现代的 Shader 语言，它是对 HLSL 语法的扩展，具有更人性化的语法特性。

Basic Convenience Features

它兼容 HLSL，支持参数块 (Parameter Blocks)，支持接口 (Interfaces) 和泛型 (Generics)，支持模块系统 (Module System)，支持 Compute Shader、Rasterization Shader 以及 Ray-Tracing Shader，支持反射，最关键的是，它支持将 Slang 代码或者 HLSL 代码编译为 DXBC、DXIL、SPIR-V、HLSL、GLSL (有限支持 OpenGL，不支持 OpenGL ES)、CUDA 等等几乎所有主流的代码。

SPIR-V Cross

SPIR-V 是 Khronos 组织提出的一套开源的标准可移植的中间语言模型，SPIR-V Cross 则可以将 SPIR-V 格式的二进制文件编译为 GLSL、HLSL、MSL，支持反射。也就是说，支持导出得到 OpenGL、OpenGL ES、Vulkan、DirectX11 以及 Metal 这些平台的 Shader 代码。

GitHub - KhronosGroup/SPIRV-Cross: SPIRV-Cross is a practical tool and library for performing reflection on SPIR-V and disassembling SPIR-V back to high level languages.

HJSON

HJSON 是对 JSON 的扩展，支持注释，支持行尾省略逗号，支持省略字符串的双引号，支持多行字符串块等等，比 JSON 更人性化，更易读。

GitHub - hjson/hjson: Hjson, a user interface for JSON

KyttenShader 介绍

格式

KyttenShader 后缀为 .kshader，格式采用 HJSON。在 KyttenShader 中，具有以下术语：

Stage: 即指定阶段，例如 vertex、pixel (fragment)、compute 等，Stage 内部包含 Slang 源码，默认会导出为一个 Slang 模块。

RenderSetup: 渲染状态设置，例如剔除模式、混合模式等等。

Tags: 用于配置一些与渲染引擎相关的配置选项。

Pass: 描述一个渲染过程，包含一个或多个 Stage。

Shader: 描述整个着色器，包括所有的 Pass。

以下是一个合法的 KyttenShader：

{
    Shader : {
        Name: Demo/DemoShader
        RenderSetup: {
            CullMode: Back
            ZTest: Always
        }
        Tags: {
            RenderType: Opaque
        }
        Passes: [
            {
                Name: BasePass
                RenderSetup: {
                    ZWrite: On
                    Blend: SrcFactor
                }
                Tags: {
                    DisableBatching: true
                }
                Stages: [
                    {
                        Name: Pixel
                        Profile: ps_6_0
                        EntryPoint: PSMain
                        Src: '''
                            struct PSInput
                            {
                                float4 color : COLOR;
                            };

                            float4 PSMain(PSInput input) : SV_TARGET
                            {
                                return input.color;
                            }
                        '''
                    }
                ]
            }
        ]
    }
}

编译流程

将 kshader 文件反序列化为 KyttenShader 实例

GitHub - hjson/hjson-cpp: Hjson for C++
根据 RenderSetup 和 Tags，设置渲染管线状态

遍历每一个 Pass

根据 RenderSetup 和 Tags，设置渲染管线状态

遍历每一个 Stage

通过配置的 Profile、EntryPoint 和 Src，编译得到目标平台 Shader 代码

获得反射信息，收集到 KyttenShaderReflectionInfo 结构中，后续材质系统会利用到。

slang::ShaderReflection* shaderReflection = slang::ShaderReflection::get(request);

unsigned parameterCount = shaderReflection->getParameterCount();
for(unsigned pp = 0; pp < parameterCount; pp++)
{
	slang::VariableLayoutReflection* parameter =
	    shaderReflection->getParameterByIndex(pp);
	// ...
}

导出 Slang 模块，可供其他 KyttenShader 导入使用。

对于 DX11/DX12，此流程已经可以得到最终的 DXBC、HLSL 或者 DXIL，直接使用即可。

对于 Vulkan，此流程已经可以得到最终的 SPIR-V 二进制文件，直接使用即可。

对于 MetalSL，我们在得到 SPIR-V 二进制文件后，使用 SPIR-V Cross 进一步得到 MetalSL 代码。

对于 OpenGL，由于 Slang 编译得到的 GLSL 并不完美，存在部分问题，且缺乏 OpenGL ES 的支持，我们在得到 SPIR-V 二进制文件后，使用 SPIR-V Cross 进一步得到 OpenGL/OpenGL ES 的 GLSL 代码。

模块化与复用

与 Unity 的 cginc 类似，Kytten Engine 将会提供内置的 Slang 模块，在 Src 中手动 import 模块文件名称（不带后缀）即可。

Basic Convenience Features

编译流程中，每一个 Stage 除了会被编译以外，还会默认导出 .slang 文件到指定的搜索位置。

例如之前的例子中，会导出一个名为 Demo_DemoShader_BasePass_Pixel.slang 的文件，命名规则为 {ShaderName}_{PassName}_{StageName}.slang。

这样，其他 Shader 的 Stage 如果想复用某个 Shader 的某个 Pass 中的某个 Stage 的代码，只需要 import {ShaderName}_{PassName}_{StageName}。我们在这个原理的基础上封装了一下，增加了 ImportModule 块:

ImportModule: Demo/DemoShader/BasePass/Pixel

ImportModule 块会使得在当前 Stage 的 Src 最开始插入一行 import 语句

import Demo_DemoShader_BasePass_Pixel

当然，Pass 也可以被复用，对于 Pass 的复用，我们通过引用的形式完成。同样地，我们增加了 UsePass 块：

UsePass: Demo/DemoShader/BasePass

本质上，编译时，它会检查被引用的 Pass 是否已经被编译完全，若没有，则先去编译被引用的 Pass，否则，直接跳过编译，使用已编译的目标文件。

目前，KyttenShader 还没有加入类似 Unity 中 GrabPass 的功能，后续会加入。

材质系统简述

KyttenMaterial 本质上引用了一个 KyttenShader，并通过收集 KyttenShader 的反射信息，持有其参数输入信息，在编辑器下提供相应的 UI 控件，方便开发者设置参数，并且可以被序列化成为一个预设。

KyttenShader 与 Unity ShaderLab

Unity ShaderLab 采用 HLSLcc 将 HLSL 翻译为 GLSL、GLSL ES、GLSL Vulkan、MetalSL，虽然是可行的方案，但并不是大趋势下的实现方案。大趋势下，势必利用 DirectXShaderCompiler / Slang + SPIR-V Cross 这一强大的体系。当然，Unity 已经在着手接入 SPIR-V Cross，实现新的 Shader 编译系统了。

Unity-Technologies/SPIRV-Cross

KyttenShader 采用现代的实现方案，由于 Slang 具有非常多的语言特性，使得写 Shader 更加方便、高效、高质量。同时，KyttenShader 有效利用了 SPIR-V Cross 的强大生态。

KyttenShaderGraph 开发思路

KyttenShaderGraph 本质上是为 .kshader 提供的可视化编辑系统，通过实时的 DAG（有向无环图）+ 代码生成，得到最终的 .kshader 文件。KyttenEngine 0.1.0 版本的 Roadmap 中不包括 KyttenShaderGraph，预计在 0.2.0 版本中加入。

扩展阅读

Slang API User’s Guide

Shader Playground

其他