High-level shader language

개요

HLSL은 DirectX11의 프로그램 가능한 쉐이더를 짤 때 사용하는 C와 유사한 고수준 쉐이더 언어이다.

예를 들어, HLSL로 정점 쉐이더와 픽셀 쉐이더를 작성하여 DirectX3D 실행 프로그램의 렌더링 기능을 구현하는 데에 사용할 수 있다.

또는 HLSL로 컴퓨트 쉐이더를 작성하여 물리 시뮬레이션을 구현할 수도 있다.

HLSL은 프로그래밍 가능한 3차원 그래픽 파이프라인을 설정하기 위해 사용된다. HLSL을 사용해 전체 파이프라인을 구축할 수도 있다.

Reference for HLSL

이 문단은 HLSL의 언어적 특성을 설명한다.

Language Syntax

HLSL 쉐이더는 변수와 함수로 구성되며, 함수는 다시 구문(statement)들로 이루어진다. 이 문단은 다음의 내용을 포함한다.

변수를 정의하고 선언하는 방법.
쉐이더가 실행 시간에 변수에 기반한 결정을 내릴 수 있도록 하는 흐름 제어
커스텀 함수 작성

Variables

HLSL의 변수는 C 언어의 변수와 유사하다.
C와 유사하게,

변수의 이름을 짓는데 제약이 존재한다.
어디에서 선언되었는지에 따라 유효 범위가 달라진다.
사용자 메타 데이터를 부여할 수 있다.
여러 표준 자료형이 존재한다.

C와 다른 점도 존재한다. HLSL에는 3차원 그래픽 데이터를 연산하기 위해 행렬 수학을 필요로 하는 4차원 벡터의 성능을 극대화하기 위해 추가적으로 정의된 자료형들이 존재한다.

Variable syntax

기본적인 형식은 아래와 같다.

 
[Storage Class][Type_Modifier] Type Name [Index][:Semantic][:Packoffset][:Register]; [Annotations][=Initial_Value]

Parameters

Storage_Class

선택적인 요소이며, 컴파일러에게 변수의 범위와 수명에 관한 정보를 전달하기 위해 사용한다. 이 한정자는 순서의 제한 없이 사용할 수 있다.

extern

전역 변수를 쉐이더의 외부 입력으로 표시한다. 이것은 모든 전역 변수에 대한 기본값이다. static과 조합될 수 없다.

nointerpolation

정점 쉐이더의 출력값을 픽셀 쉐이더로 넘기기 전에 보간하지 않는다.

precise

이 키워드를 변수에 적용하면 해당 변수에 할당된 값을 생성하기 위해 사용되는 계산이 다음과 같은 방식으로 제한된다.

연산의 분리 유지
예를 들어 mul과 add 연산이 하나의 mad 연산으로 합쳐질 수 있는 경우라도, precise는 이 연산들이 별도로 유지되도록 강제합니다.
대신, mad 연산이 필요하다면 반드시 mad 내장 함수를 명시적으로 사용해야 합니다.
연산 순서 보존
성능 향상을 위해 연산 순서가 변경될 수 있는 경우라도, precise는 작성된 순서를 그대로 유지하도록 컴파일러에 지시합니다.
IEEE 안전하지 않은 연산 제한
NaN(Not a Number)과 INF(무한대) 값을 고려하지 않는 빠른 수학 연산(fast math)을 컴파일러가 사용할 수 있지만, precise를 사용하면 NaN과 INF 처리에 대한 IEEE 규격을 반드시 준수하도록 강제합니다.
precise를 사용하지 않으면 이런 최적화와 수학 연산은 IEEE 안전성을 보장하지 않습니다.

precise로 변수를 지정한다고 해서, 그 변수를 사용하는 모든 연산이 자동으로 precise가 되지는 않습니다.
precise는 해당 변수의 값 계산에 직접 기여하는 연산에만 전파되므로, 원하는 계산을 정확히 precise로 만드는 것은 까다로울 수 있습니다.
따라서 셰이더 출력값이 정확해야 하는 경우, 구조체 필드, 출력 파라미터, 또는 엔트리 함수의 반환 타입에서 바로 precise를 선언하는 것을 권장합니다.

이렇게 최적화를 제어하면 누적된 정밀도 차이로 인해 최종 결과가 변하는 것을 방지할 수 있으며, 특히 테셀레이션 셰이더에서 패치 경계가 완전히 일치하도록 하거나, 여러 패스를 거쳐도 깊이 값이 일관되게 맞아야 하는 경우에 유용합니다.

예제 코드:

 
HLSLmatrix g_mWorldViewProjection;
void main(in float3 InPos : Position, out precise float4 OutPos : SV_Position)
{
    // OutPos에 기여하므로 연산이 precise로 처리됨
    OutPos = mul(float4(InPos, 1.0), g_mWorldViewProjection);
}

shared

변수를 여러 이펙트에서 공유하도록 표시합니다. 컴파일러에 주는 힌트입니다.

groupshared

변수를 Compute Shader에서 스레드 그룹 간 공유 메모리로 표시합니다.

D3D10: groupshared 변수 전체 크기 제한 = 16KB
D3D11: groupshared 변수 전체 크기 제한 = 32KB

static

로컬 변수를 한 번만 초기화하고, 함수 호출 간에 값을 유지하도록 표시합니다.
초기화식이 없으면 값은 0으로 설정됩니다.
전역 변수가 static이면 애플리케이션에서 접근할 수 없습니다.

uniform

셰이더 실행 동안 변하지 않는 데이터를 나타내는 변수에 사용합니다.
(예: 정점 셰이더의 재질 색상)
전역 변수는 기본적으로 uniform으로 간주됩니다.

volatile

값이 자주 바뀌는 변수에 표시합니다. 컴파일러에 주는 힌트입니다.
이 한정자는 로컬 변수에만 적용됩니다.
주의: 현재 HLSL 컴파일러는 이 한정자를 무시합니다.

Type_Modifier

선택적인 자료형 한정자이다.

const

셰이더에서 변경할 수 없는 변수를 표시합니다. 따라서 반드시 변수 선언 시에 초기화해야 합니다.
전역 변수는 기본적으로 const로 간주됩니다.
(컴파일러에 /Gec 플래그를 주면 이 기본 동작을 해제할 수 있습니다.)

row_major

4개의 구성 요소를 한 행(row)에 저장하여, 이를 단일 상수 레지스터에 저장할 수 있음을 표시합니다.

column_major

4개의 구성 요소를 한 열(column)에 저장하여 행렬 연산을 최적화하도록 표시합니다.

참고

만약 타입 수정자(type-modifier)를 지정하지 않으면, 컴파일러는 기본값으로 column_major를 사용합니다.

Type

Data Types (DirectX HLSL)에 명시된 HLSL 자료형이다.

Name[Index]

셰이더 변수를 고유하게 식별하는 ASCII 문자열 이름입니다.
선택적으로 배열을 정의할 때, Index는 배열 크기를 의미하며, 양의 정수이고 기본값은 1입니다.

Semantic

선택적 파라미터 사용 정보를 나타내며, 컴파일러가 셰이더 입출력을 연결하는 데 사용합니다.
정점 셰이더와 픽셀 셰이더용으로 여러 사전 정의된 시맨틱이 있습니다.
컴파일러는 전역 변수나 셰이더에 전달되는 파라미터에 선언된 시맨틱만 인식합니다.

Packoffset

셰이더 상수를 수동으로 패킹하기 위한 선택적 키워드입니다.
자세한 내용은 packoffset (DirectX HLSL) 참고 바랍니다.

셰이더 변수를 특정 레지스터에 수동 할당하기 위한 선택적 키워드입니다.
자세한 내용은 register (DirectX HLSL) 참고 바랍니다.

Annotation(s)

전역 변수에 붙일 수 있는 선택적 메타데이터(문자열 형태)입니다.
이 어노테이션은 효과 프레임워크에서 사용하며 HLSL 컴파일러는 무시합니다.
더 자세한 문법은 annotation syntax를 참고하세요.

Initial_Value

선택적 초기 값들입니다. 초기 값의 개수는 변수 타입(Type)의 구성 요소 수와 일치해야 합니다.

extern으로 표시된 전역 변수는 리터럴 값으로 반드시 초기화해야 합니다.
static으로 표시된 변수는 상수로 초기화해야 합니다.

전역 변수 초기화 및 컴파일 동작

static 또는 extern으로 표시되지 않은 전역 변수는 셰이더에 컴파일되지 않습니다.
컴파일러는 전역 변수에 기본값을 자동으로 설정하지 않고, 최적화에도 사용하지 않습니다.
이런 전역 변수를 초기화하려면, 셰이더 리플렉션(reflection)을 사용해 값을 얻고, 그 값을 상수 버퍼에 복사해야 합니다.

예를 들어:

ID3D11ShaderReflection::GetVariableByName 메서드로 변수를 찾고
ID3D11ShaderReflectionVariable::GetDesc 메서드로 변수 설명을 얻고
D3D11_SHADER_VARIABLE_DESC 구조체의 DefaultValue 멤버에서 초기 값을 얻습니다.
그리고 초기값을 복사할 상수 버퍼는 CPU 쓰기 권한(D3D11_CPU_ACCESS_WRITE)으로 생성되어야 합니다.

상수 버퍼 생성 방법은 How to: Create a Constant Buffer 문서를 참고하세요.

이펙트 프레임워크 사용

이펙트 프레임워크를 사용하면 리플렉션과 초기값 설정을 자동으로 처리할 수 있습니다.
예를 들어 ID3DX11EffectPass::Apply 메서드를 사용할 수 있습니다.

중요한 사항

이 기능(기본 초기값 리플렉션 포함)은 Direct3D 12에서 제거되었습니다.
즉, Direct3D 12부터는 기본 초기값 리플렉션을 지원하지 않습니다.

Examples

다음은 쉐이더 변수 선언의 여러 예시이다.

 
float fVar;

 
float4 color;
 
int iVar[3];
 
uniform float4 position : SV_POSITION;
 
// Default initializers; supported up to Direct3D 11.
 
float fVar = 3.1f;
int iVar[3] = {1, 2, 3};
const float4 lightDirection = {0, 0, 1};

Group shared

HLSL은 컴퓨트 셰이더의 쓰레드들이 공유 메모리를 통해 값을 교환할 수 있게 합니다. HLSL은 GroupMemoryBarrierWithGroupSync와 같은 장벽 프리미티브를 제공하여 셰이더 내에서 공유 메모리의 읽기와 쓰기 순서를 올바르게 보장하고 데이터 경쟁을 방지합니다.

참고
하드웨어는 쓰레드를 그룹(워프 또는 웨이브프론트) 단위로 실행하며, 같은 그룹에 속한 쓰레드만 동기화하는 경우 장벽 동기화를 생략할 수 있어 성능을 높일 수 있습니다. 하지만 다음 이유들로 이 생략을 강력히 권장하지 않습니다:

이 생략은 비포터블한(non-portable) 코드를 만들며, 일부 하드웨어에서는 작동하지 않고 보통 더 작은 그룹 단위로 쓰레드를 실행하는 소프트웨어 래스터라이저에서는 작동하지 않습니다.

이 생략으로 얻는 성능 향상은 모든 쓰레드 장벽을 사용할 때보다 미미합니다.

Direct3D 10에서는 groupshared에 쓰기 시 쓰레드 동기화가 없으므로, 각 쓰레드는 배열 내 단일 위치에만 쓸 수 있습니다. 쓰기 시 충돌을 방지하려면 SV_GroupIndex 시스템 값을 이용해 배열 인덱스를 지정해야 합니다. 읽기 측면에서는 모든 쓰레드가 배열 전체에 접근할 수 있습니다.

 
struct GSData
{
    float4 Color;
    float Factor;
}
 
groupshared GSData data[5*5*1];
 
[numthreads(5,5,1)]
void main(uint index : SV_GroupIndex)
{
    data[index].Color = (float4)0;
    data[index].Factor = 2.0f;
    GroupMemoryBarrierWithGroupSync();
    ...
}

Packing

레지스터 경계를 넘지 않도록 충분히 큰 크기를 가진 벡터 및 스칼라 하위 컴포넌트를 패킹합니다. 예를 들어, 다음은 모두 유효합니다:

 
cbuffer MyBuffer
{
    float4 Element1 : packoffset(c0);
    float1 Element2 : packoffset(c1);
    float1 Element3 : packoffset(c1.y);
}

패킹 타입을 혼합할 수 없습니다.

register 키워드처럼, packoffset도 특정 타겟에 지정할 수 있습니다. 하위 컴포넌트 패킹은 packoffset 키워드에서만 가능하며, register 키워드에서는 불가능합니다. cbuffer 선언 내에서 register 키워드는 Direct3D 10 타겟에 대해 무시되며, 이는 크로스 플랫폼 호환성을 위해서입니다.

패킹된 요소는 겹칠 수 있으며, 컴파일러는 오류나 경고를 출력하지 않습니다. 아래 예시에서 Element2와 Element3는 Element1.x와 Element1.y와 겹칩니다.

 
cbuffer MyBuffer
{
    float4 Element1 : packoffset(c0);
    float1 Element2 : packoffset(c0);
    float1 Element3 : packoffset(c0.y);
}

packoffset을 사용하는 예제는 HLSLWithoutFX10 Sample을 참고하세요.

packoffset

선택적이다(필수적이지 않다).
키워드를 포장(packing)하는 쉐이더 상수이다.

다음의 문법을 사용한다.

 
: packoffset( c[Subcomponent][.component] )

Parameters

packoffset

키워드를 필요로 한다.

패킹은 상수 레지스터(c)에만 적용될 수 있다.

[Subcomponent][.component]

선택적인 하위 구성요소(subcomponent)와 구성요소(component)이다.
하위 구성요소는 레지스터 번호이며, 정수이다. 구성요소(component)는 [.xyzw]의 형태를 하고 있다.

변수를 선언할 때 쉐이더 상수를 수동으로 포장(pack)하고 싶으면 이 키워드를 사용한다.

상수를 포장할 때는, 상수의 타입을 섞어서 사용하면 안된다(의역 : When packing a constant, you cannot mix constant types).

컴파일러는 전역 상수(global constants)와 uniform constants에 대해 조금 다르게 동작한다.

global constant : 전역 변수(global variable)는 컴파일러에 의하여 전역 상수(global constant)로서 $Global cbuffer에 추가된다. 자동적으로 포장된 요소는(packoffset 없이 선언되었다는 말) 마지막으로 수동으로 포장된 변수 뒤에 나타난다. 당신은 전역 상수를 포장할 때 타입을 섞어서 사용해도 된다(You may mix types when packing global constants).
uniform constant : 함수의 파라미터 목록 내부의 uniform parameter는 쉐이더가 effects framework 밖에서 컴파일 될 때 컴파일러에 의하여 $Param 상수 버퍼에 추가된다. 효과(Effect) 프레임워크 내부에서 컴파일될 때, uniform 상수는 전역 범위에서 정의된 uniform 변수로 해석되어야 한다. uniform 상수는 수동으로 오프셋을 적용할 수 없다. 이들은 전역 변수로 다시 연결되는 셰이더의 특수화(specialization)에만 사용하는 것이 권장되며, 애플리케이션 데이터를 셰이더로 전달하는 수단으로 사용해서는 안 된다.

여기에 몇몇 추가적인 예시들이 있다.

Examples

다음은 수동으로 쉐이더 상수(shader constants)를 포장하는 여러 예제들이다.

벡터와 스칼라의 하위 구성 요소를 패킹할 때, 레지스터 경계를 넘어가지 않도록 충분히 큰 크기를 사용해야 한다. 예를 들어, 다음은 모두 유효하다.

 
cbuffer MyBuffer
{
    float4 Element1 : packoffset(c0);
    float1 Element2 : packoffset(c1);
    float1 Element3 : packoffset(c1.y);
}

register

쉐이더 변수를 특정 레지스터에 지정하는 데 사용하는 키워드이며, 필수적이지 않다. 다음의 문법을 따른다.

 
: register ( [shader_profile], Type#[subcomponent] )

Parameters

키워드가 필요하다.

[shader_profile]

선택적인 쉐이더 프로필이며, 쉐이더 타겟이 될 수도 있고 단순히 ps 또는 vs가 될수도 있다.

Type#[subcomponent]

레지스터 타입, 번호, 그리고 하위 구성요소 선언이다.
타입은 다음 중 하나이다.

b : 상수 버퍼
t : 텍스처와 텍스처 버퍼
c : 버퍼 오프셋
s : 샘플러
u : unordered access view (UAV). 쉐이더가 임의의 순서로 GPU 메모리에 읽기와 쓰기를 모두 할 수 있게 해주는 뷰(View)
은 레지스터 번호이며, 정수이다.
하위 구성요소(subcomponent)는 선택적인 정수 번호이다.

Remarks

공백으로 분할하여 동일한 변수 선언에 하나 혹은 그 이상의 레지스터 지정을 추가할 수 있다.

전역 스코프의 Direct3D 10 변수를 대상으로, 레지스터 키워드는 packoffset (DirectX HLSL) 키워드와 동일하게 동작한다.

Examples

다음에 몇몇 예시가 있다.

 
sampler myVar : register( ps_5_0, s );

 
sampler myVar : register( vs, s[8] );

 
sampler myVar : register( ps, s[2] )
              : register( ps_5_0, s[0] )
              : register( vs, s[8] );

Data Types

HLSL은 많은 내부 자료형을 지원한다. 다음의 표는 쉐이더 변수를 정의할 때 사용하는 타입들을 보여준다.

Use this intrinsic type	To define this shader variable
Scalar	단일 요소 스칼라
Vector, Matrix	다수 요소 벡터와 행렬
Sampler, Texture or Buffer	샘플러, 텍스처, 버퍼 객체
Struct, User Defined	커스텀 구조체 또는 typedef
Array	대부분의 다른 타입을 포함하는 리터럴 스칼라 표현식 선언
State Object	상태 객체의 HLSL 표현식

Buffer type

버퍼 변수를 선언하기 위해서는 다음의 문법을 따라야 한다.

 
Buffer<Type> Name;

Parameters

Buffer

키워드를 필요로 한다.

Type

스칼라, 벡터, 그리고 일부 행렬 HLSL 타입 중 하나. 행렬이 4개의 32비트 값 안에 들어갈 수 있다면 버퍼 변수로 선언할 수 있다. 예를 들어 Buffer<float2x2>는 작성할 수 있다. 그러나 Buffer<float4x4>는 너무 크기 때문에 컴파일러가 오류를 발생시킨다.

Name

변수 이름을 지정하는 고유한 아스키 문자열이다.

Example

여기에 버퍼 선언의 예시가 있다.

 
Buffer<float4> g_Buffer;

버퍼에서 데이터를 읽을 때는, 하나의 입력 매개변수(정수 인덱스)를 받는 Load HLSL 내장 함수의 오버로드 버전을 사용한다. 버퍼는 요소의 배열처럼 접근되므로, 이 예제는 두 번째 요소를 읽는다.

 
float4 bufferData = g_Buffer.Load( 1 );

버퍼로 데이터를 출력하기 위해서는 stream-output stage를 사용한다.

Remarks

호환되는 타입의 buffer shader resource view( SRV )는 버퍼로부터 정확히 값을 로드하는 데 필요하다. 로드는 부분적으로 타입 변환을 수행할 수 있으며, 예를 들어 RGBA8_UNORM 버퍼는 float4 변수로 로드될 수 있다. 구조체를 담고 있는 버퍼에 대해서는 대신 StructuredBuffer를 사용한다.

Scalar data types

HLSL은 다음의 스칼라 자료형을 지원한다.

data type	description
bool	true 또는 false
int	32 비트 부호가 없는 정수
dword	32 비트 부호가 없는 정수
half	16 비트 부동소수. 이 자료형은 오로지 언어의 호환성을 위해서만 제공된다. Direct3D 10 쉐이더 타깃은 모든 half 자료형을 float 자료형으로 매핑한다. half 자료형은 uniform 전역 변수에서는 사용이 불가능하다(만약 해당 기능을 사용하고 싶다면 /Gec 플래그를 사용하라).
float	32 비트 부동소수
double	64 비트 부동소수. 이 자료형은 스트림의 입력 또는 출력으로 사용할 수 없다. 쉐이더 간 double 값을 전달하기 위해서, 각 double 변수를 uint 자료형의 pair로 선언한다. 그런 다음, asuint 함수를 사용하여 각 double 값을 uint의 쌍으로 패킹한 후 asdouble 함수를 사용하여 uint의 쌍을 double로

Windows 8부터 HLSL은 최소 정밀도(minimum precision) 스칼라 데이터 타입도 지원한다. 그래픽 드라이버는 지정된 비트 정밀도 이상인 임의의 정밀도를 사용하여 최소 정밀도 스칼라 데이터를 구현할 수 있다. 특정 하드웨어 정밀도에 의존한 클램핑(clamping)이나 래핑(wrapping) 동작에 의존하지 않는 것이 권장된다. 예를 들어, 그래픽 드라이버는 min16float 값을 32비트 전체 정밀도로 연산할 수도 있다.

data type	description
min16float	minimum 16-bit floating point value
min10float	minimum 10-bit floating point value
min16int	minimum 16-bit signed integer.
min12int	minimum 12-bit signed integer.
min16uint	minimum 16-bit unsigned integer.

스칼라 리터럴에 대해 더 많은 정보를 원한다면, Grammer를 참고하라.

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HLSL

개요

Reference for HLSL

Language Syntax

Variables

Variable syntax

Parameters

Examples

Group shared

Packing

packoffset

Parameters

Examples

register

Parameters

Remarks

Examples

Data Types

Buffer type

Parameters

Example

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Scalar data types

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