WORDWARE GAME DEVELOPER‘S LIBRARY
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`Vertexand Pixel snauer'
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`on! by Phll 78% Manager,
`Windows flrForefi “all!r; Yadmol'aJu MUM Camoufla-
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`MEDIATEK, Ex. 1024, Page 1
`IPR2018-00101
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`

`Direct3D ShaderX
`Vertex and Pixel Shader
`Tips and Tricks
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`Edited by Wolfgang F. EngelEdited by Wolfgang F. Engel
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`Wordware Publishing, Inc.Wordware Publishing, Inc.
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`Team LRN
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`MEDIATEK, Ex. 1024, Page 2
`IPR2018-00101
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`

`Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
`Direct3d ShaderX : vertex and pixel shader tips and tricks / edited by
`Wolfgang F. Engel.
`p. cm.
`Includes bibliographical references and index.
`ISBN 1-55622-041-3
`1. Computer games--Programming.
`3. Direct3D.
`I. Engel, Wolfgang F.
`QA76.76.C672 D57 2002
`794.8'15265--dc21
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`2. Three-dimensional display systems.
`
`2002006571
`
`© 2002, Wordware Publishing, Inc.
`
`All Rights Reserved
`
`2320 Los Rios Boulevard
`Plano, Texas 75074
`
`No part of this book may be reproduced in any form or by any means
`without permission in writing from Wordware Publishing, Inc.
`
`Printed in the United States of America
`
`ISBN 1-55622-041-3
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`10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
`0502
`
`RenderMan is a registered trademark of Pixar Animation Studios.
`krass engine is a trademark of Massive Development.
`3D Studio Max is a registered trademark of Autodesk/Discreet in the USA and/or other countries.
`GeForce is a trademark of NVIDIA Corporation in the United States and/or other countries.
`Some figures in this book are copyright ATI Technologies, Inc., and are used with permission.
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`address. Telephone inquiries may be made by calling:
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`(972) 423-0090
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`Contents
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`. . xvi
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`Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . xvii
`
`Part 1: Introduction to Shader Programming
`
`Fundamentals of Vertex Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
`Wolfgang F. Engel
`. . . 5
`What You Need to Know/Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Vertex Shaders in the Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
`Why Use Vertex Shaders? . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 7
`Vertex Shader Tools . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . . 8
`NVIDIA Effects Browser 2/3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 8
`NVIDIA Shader Debugger
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
`Shader City . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. 10
`Vertex Shader Assembler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
`NVIDIA NVASM — Vertex and Pixel Shader Macro Assembler .
`.
`.
`. 10
`Microsoft Vertex Shader Assembler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
`Shader Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. 11
`NVLink 2.x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 12
`NVIDIA Photoshop Plug-ins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 13
`Diffusion Cubemap Tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
`DLL Detective with Direct3D Plug-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
`3D Studio Max 4.x/gmax 1.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 16
`Vertex Shader Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 16
`High-Level View of Vertex Shader Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
`Check for Vertex Shader Support
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 19
`Vertex Shader Declaration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 19
`Set the Vertex Shader Constant Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
`Write and Compile a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
`Application Hints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . 26
`Complex Instructions in the Vertex Shader. . . . . . . . . . . . . . . . 27
`Putting It All Together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 27
`Swizzling and Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 31
`Guidelines for Writing Vertex Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
`Compiling a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 33
`Create a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . 34
`Set a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 34
`Free Vertex Shader Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . . 35
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . 35
`What Happens Next? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 35
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`
`Programming Vertex Shaders .
`Wolfgang F. Engel
`. . . 38
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`RacorX . . . . . . . . . . . . . . . . .
`The Common Files Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
`Check for Vertex Shader Support. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
`Vertex Shader Declaration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 42
`Set the Vertex Shader Constant Registers . . . . . . . . . . . . . . . . 43
`The Vertex Shader
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 43
`Compile a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
`Create a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . 46
`Set a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 47
`Free Vertex Shader Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
`Non-Shader Specific Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 47
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . . 49
`RacorX2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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`. . .
`. . .
`. . .
`. 49
`Create a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 51
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . . 53
`RacorX3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
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`. . .
`. . .
`. 53
`Vertex Shader Declaration . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . 54
`Set the Vertex Shader Constant Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
`The Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
`Directional Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 57
`Diffuse Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . 57
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . .
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`. . . . . . . . . . . . . .
`. . 59
`RacorX4. . . . . . . . . . . . . . . . .
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`. . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 59
`Vertex Shader Declaration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
`Set the Vertex Shader Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
`The Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 61
`Specular Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . 62
`Non-Shader Specific Code . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . 65
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
`RacorX5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
`Point Light Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 66
`Light Attenuation for Point Lights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 66
`Set the Vertex Shader Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 67
`The Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 68
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
`What Happens Next? . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 70
`
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
`
`.
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`
`Fundamentals of Pixel Shaders .
`Wolfgang F. Engel
`. . . . . . . . . . . 72
`. . .
`Why Use Pixel Shaders? . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Pixel Shaders in the Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 74
`Pixel Shader Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. 79
`Microsoft Pixel Shader Assembler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 79
`MFC Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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`. . .
`. . .
`ATI ShadeLab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Pixel Shader Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 81
`Constant Registers (c0-c7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 82
`Output and Temporary Registers (ps.1.1-ps.1.3: r0+r1; ps.1.4: r0-r5) .
`.
`.
`. 82
`Texture Registers (ps.1.1-ps.1.3: t0-t3; ps.1.4: t0-t5) . . . . . . . . . . . . . 82
`Color Registers (ps.1.1-ps.1.4: v0+v1)
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
`Range . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 83
`High-Level View of Pixel Shader Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
`Check for Pixel Shader Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
`Set Texture Operation Flags (D3DTSS_* flags). . . . . . . . . . . . . . . . 85
`Set Texture (with SetTexture()) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
`Define Constants (with SetPixelShaderConstant()/def )
`. . . . . . . . . . . 86
`Pixel Shader Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 87
`Texture Address Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 88
`Arithmetic Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
`Instruction Modifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 110
`Instruction Modifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 116
`Instruction Pairing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 119
`Assemble Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 120
`Create a Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 120
`Set Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 121
`Free Pixel Shader Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . . 121
`Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . .
`. . . 121
`What Happens Next? . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 122
`
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
`
`Programming Pixel Shaders .
`Wolfgang F. Engel
`. . 125
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`RacorX6 . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Check for Pixel Shader Support
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 126
`Set Texture Operation Flags (with D3DTSS_* flags) . . . . . . . . . . . . 126
`Set Texture (with SetTexture()) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 127
`Define Constants (with SetPixelShaderConstant()/def) . . . . . . . . . . . 127
`Pixel Shader Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 128
`Per-Pixel Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 130
`Assemble Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
`Create Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 134
`Set Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 136
`Free Pixel Shader Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . . 136
`Non-Shader Specific Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 136
`RacorX7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . .
`. . . 137
`Define Constants (with SetPixelShaderConstant()/def) . . . . . . . . . . . 137
`Pixel Shader Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 140
`RacorX8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . .
`. . . 140
`Set Texture Operation Flags (with D3DTSS_* flags) . . . . . . . . . . . . 140
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`Contents
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`Set Texture (with SetTexture()) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
`Pixel Shader Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 143
`RacorX9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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`. . .
`. . .
`. . . 144
`Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 147
`Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. 147
`
`Basic Shader Development with Shader Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
`John Schwab
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
`What You Should Know . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . 149
`Installation. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. 149
`Directories . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. 149
`Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . .
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`. . . . . . . . . . 150
`Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
`Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. 151
`Default Light
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
`Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
`Create a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 152
`Step 1: Loading a Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 153
`Step 2: Transformations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 153
`Step 3: Starting a Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . 154
`Step 4: Editing Code . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 154
`Step 5: Adding Some Color. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . 155
`Step 6: Saving Your Work . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . 155
`Step 7: Loading a Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 156
`Step 8: Settings . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 157
`Step 9: Texture Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 157
`Create a Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 159
`Step 1: Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 159
`Step 2: Writing a Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 159
`Shaders Reference . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . . 160
`Workspace . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. 160
`Menu Layout
`. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 160
`Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 161
`Shaders Dialog . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 161
`Vertex Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 162
`Pixel Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 162
`Declarations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 163
`Constant Properties Dialog . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . 163
`Materials Dialog. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 164
`Textures Dialog . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 165
`Browser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
`Transformations Dialog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 165
`Object . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
`Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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`. . 166
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`Contents
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`. 166
`. . .
`. . .
`Camera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Statistics Dialog . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 167
`Settings Dialog . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 167
`State Methods . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 167
`Camera Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
`Configure Dialog . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 168
`Assets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . .
`. . .
`. 169
`Further Info . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
`
`Part 2: Vertex Shader Tricks
`
`Vertex Decompression in a Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
`Dean Calver
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
`Vertex Compression Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 172
`Vertex Shader Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 173
`Compressed Vertex Stream Declaration Example . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
`Basic Compression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 174
`Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 174
`Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 174
`Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 175
`Practical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
`Scaled Offset
`. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 175
`Compression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 175
`Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 176
`Practical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
`Compression Transform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 176
`Compression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 177
`Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 178
`Practical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
`Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 179
`Practical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 180
`Advanced Compression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 180
`Multiple Compression Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
`Compression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 181
`Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 181
`Practical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
`Sliding Compression Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 182
`Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 182
`Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 183
`Displacement Maps and Vector Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
`Basic Displacement Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 184
`Entering Hyperspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 186
`Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
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`Contents
`
`Shadow Volume Extrusion Using a Vertex Shader. . . . . . . . . . . . . . . . . 188
`Chris Brennan
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
`Creating Shadow Volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 189
`Effect File Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 191
`Using Shadow Volumes with Character Animation . . . . . . . . . . . . . . . . 192
`
`Character Animation with Direct3D Vertex Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . 195
`David Gosselin
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
`Tweening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 195
`Skinning . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 197
`Skinning and Tweening Together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. 199
`Animating Tangent Space for Per-Pixel Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
`Per-Pixel Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 203
`Compression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. 206
`Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . . 208
`
`Lighting a Single-Surface Object .
`Greg James
`. . . 211
`. . .
`Vertex Shader Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Enhanced Lighting for Thin Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 213
`About the Demo . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. 214
`
`.
`
`.
`
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
`
`Optimizing Software Vertex Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
`Kim Pallister
`Introduction to Pentium 4 Processor Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
`Introduction to the Streaming SIMD Extensions
`. . . . . . . . . . . . . . . . . 217
`Optimal Data Arrangement for SSE Instruction Usage . . . . . . . . . . . . . . 218
`How the Vertex Shader Compiler Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
`Performance Expectations . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . 221
`Optimization Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . 221
`Write Only the Results You’ll Need. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
`Use Macros Whenever Possible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
`Squeeze Dependency Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
`Write Final Arithmetic Instructions Directly to Output Registers .
`. . 223
`Reuse the Same Temporary Register If Possible . . . . . . . . . . . . 223
`Don’t Implicitly Saturate Color and Fog Values . . . . . . . . . . . . 223
`Use the Lowest Acceptable Accuracy with exp and log Functions. .
`. 223
`Avoid Using the Address Register When Possible . . . . . . . . . . . 223
`Try to Order Vertices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
`Profile, Profile, Profile… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 224
`A Detailed Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
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`

`

`Contents
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`ix
`
`Compendium of Vertex Shader Tricks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
`Scott Le Grand
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
`Periodic Time . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . 228
`One-Shot Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 229
`Random Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
`Flow Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
`Cross Products. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . 230
`Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 230
`Summary. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 231
`
`Perlin Noise and Returning Results from Shader Programs . . . . . . . . . . . 232
`Steven Riddle and Oliver C. Zecha
`. . . . . . . . . . . 232
`. . .
`Limitations of Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Perlin Noise and Fractional Brownian Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
`Final Thoughts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 251
`
`Part 3: Pixel Shader Tricks
`
`Blending Textures for Terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
`Alex Vlachos
`
`Image Processing with 1.4 Pixel Shaders in Direct3D. . . . . . . . . . . . . . . 258
`Jason L. Mitchell
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
`Simple Transfer Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 259
`Black and White Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
`Sepia Tone Transfer Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . . 260
`Heat Signature. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 261
`Filter Kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . . 261
`Texture Coordinates for Filter Kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
`Edge Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 262
`Roberts Cross Gradient Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 262
`Sobel Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. 263
`Mathematical Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . 265
`The Definition of Dilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
`A Dilation Shader . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 266
`The Definition of Erosion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
`An Erosion Shader
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . . 267
`Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 268
`Hardware Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
`Sample Application . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 269
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`
`Contents
`
`Hallo World — Font Smoothing with Pixel Shaders. . . . . . . . . . . . . . . . 270
`Steffen Bendel
`
`Emulating Geometry with Shaders — Imposters . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
`Steffen Bendel
`
`Smooth Lighting with ps.1.4 .
`Steffen Bendel
`
`.
`
`.
`
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`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
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`.
`
`Per-Pixel Fresnel Term .
`Chris Brennan
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
`Fresnel Effects. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . 281
`Effect Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
`
`.
`
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
`
`.
`
`.
`
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`
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`
`.
`
`Diffuse Cube Mapping .
`Chris Brennan
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
`Using Diffuse Cube Maps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . 287
`Generating Dynamic Diffuse Cube Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
`
`.
`
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
`
`Accurate Reflections and Refractions by Adjusting for Object Distance . . . . . 290
`Chris Brennan
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
`The Artifacts of Environment Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
`
`UV Flipping Technique to Avoid Repetition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
`Alex Vlachos
`
`Photorealistic Faces with Vertex and Pixel Shaders . . . . . . . . . . . . . . . 296
`Kenneth L. Hurley
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
`Software . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 296
`Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 297
`3D Model
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 297
`Setup for Separation of Lighting Elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
`Diffuse Lighting Component . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . 298
`Extracting the Bump and Specular Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
`Separating Specular and Bump Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
`Normal Maps . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 300
`More on Normal Maps . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . 301
`A Word About Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . 302
`Half Angle . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. 303
`Vertex Shader Explanation Pass 1 (Listing 1) . . . . . . . . . . . . . . . . 303
`Vertex Shader Explanation Pass 1 (Listing 2) . . . . . . . . . . . . . . . . 305
`Pixel Shader Explanation (Listing 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
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`. . .
`Full Head Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . .
`Getting Started . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . 310
`Mapping the Photographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 310
`Creating a Single Texture Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . 310
`Putting It All Together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
`What’s Next? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 312
`Environmental Lighting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
`How to Get Diffusion Cube Maps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
`Generating the Cube Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
`The Pixel Shader to Use All These Maps . . . . . . . . . . . . . . . . 314
`Environment Mapping for Eyes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 315
`Final Result . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . . 316
`Facial Animation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. 317
`Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. 317
`
`Non-Photorealistic Rendering with Pixel and Vertex Shaders . . . . . . . . . . 319
`Drew Card and Jason L. Mitchell
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
`Rendering Outlines . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 319
`Cartoon Lighting Model. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 322
`Hatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . . 324
`Gooch Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . .
`. . 326
`Image Space Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . 328
`Compositing the Edges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . 330
`Depth Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . 331
`Alpha Test for Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
`Shadow Outlines . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 331
`Thickening Outlines with Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
`Summary of Image Space Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
`Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . 333
`
`Animated Grass with Pixel and Vertex Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
`John Isidoro and Drew Card
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
`Waving the Grass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
`Lighting the Grass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
`
`. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
`Texture Perturbation Effects .
`John Isidoro, Guennadi Riguer, and Chris Brennan
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
`Wispy Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . 337
`Perturbation-Based Fire . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . 342
`Plasma Glass. . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
`. . . . . . . . . . . . . .
`. . . 344
`Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
`. . .
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`.
`Rendering Ocean Water .
`John Isidoro, Alex Vlachos, and Chris Brennan
`Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
`Sinusoidal Perturbation in a Vertex Shader. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
`CMEMBM Pixel Shader with Fresnel Term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
`Ocean Water Shader Source Code . . . . . . . . . . . . . . . . .
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`Sample Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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`
`Rippling Reflective and Refractive Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
`Alex Vlachos, John Isidoro, and Chris Oat
`Introduction . . . . . . . . . . . .