Gamebryo3.0SDK翻译-Material System
Material System
一、 简介
GB的材质系统是一种基于NiMesh的渲染状态创建相应NiShader实例的机制。开发者经常需要为多个对象进行同种特效处理，以及当单个NiShader无法满足绘制需求时，与其让一个美术为不同几何体提供不同的NiShader，不如使用单个NiMaterial，它可以在运行时为每一个几何体提供合适的NiShader。
一个简单材质可以查询mesh从而决定它是否进行蒙皮（Skinned）处理。它可以选择不同的蒙皮（被NiShader定义，并从shader library中加载）。一些复杂的材质，可以动态生成着色程序，这些着色程序既可以被添加也可以被减少。在添加系统中可以使用各种高级着色语言程序段，并把他们练到一起从而组成一个完整的着色程序。在减少系统中可以使用预编译处理器命令（compile-time preprocessor commands）进入一个着色程序并删除相应的片段。
NiMaterial VS NiShader
一个NiShader包含了一个几何体绘制时的所有渲染状态。它可以扫描多个render pass从而描述几何体在不同情况下如何被绘制。一个NiShader可以被多个几何体共享。
可以使用NSF或FX Shader来实现NiShader，这些shader可以被用来创建各种特效，但在特定情况下，只有一个被激活。
一个NiMaterial负责根据不同情况决定使用那一个NiShader，以及当NiShader不存在时可以创建。NiMaterial会根据NiMesh以及它的属性，以及当前硬件、用户设定来做出正确的决定。
总之，NiMaterial描述了如何进行使用特效，而 NiShader实现具体的特效。
二、 架构
1. NiMaterial
为开发者提供了一种方法，使得它可以控制特定的渲染对象使用那个NiShader。应用程序在使用材质系统时，首先会询问先前的shader是否继续有效（IsShaderCurrent），如果无效或先前没有shader则会调用GetCurrentShader，即提供一个可用的Material。
NiFragmentMaterial：负责添加高级着色语言系统的基类
NiSingleShaderMaterial：在材质框架中引入NiShader基类。
2. NiFragmentMaterial
该类是处理shader fragment system（着色器程序段）的基类，通常该系统使用hlsl或cg函数去定义一个完整的着色程序，这些函数的输入和输出可以被被连接在一起，从而完成一个完整的着色程序。这些程序段的连接关系形成了一个“shader tree”。
NiFragmentMaterial封装了GB中实现一个shader-tree的框架，这条管线里生成一个编译好的shader需要经过如下步骤：
第一步：生成几何体的材质描述符。该过程生成一个NiMaterialDescriptor对象，它时一个128位，描述了几何体附属于shader-tree的状态信息。GenerateDescriptor封装了这一过程。
第二步：查询NiShader缓冲区决定该材质配置是否已经被处理。如果没则使用GenerateShader，如果处理过了只要重新使用即可。
第三步：搜索失败shader列表，判断该材质配置是否被当前硬件支持，如果否，则返回NULL，此时渲染器会使用内部error shader。
第四步：把材质描述符分解成一个或多个NiGPUProgrammDescriptors。它是一个128位，包含了pass生成所有正确NiGPUProgram的条件。GenerateShaderDescArray封装了这一过程。
第五步：为当前渲染器创建合适的NiShader子类。
第六步：为该shader指定packing requirements。
第七步：遍历材质实例中的每一个NiGPUProgramDescriptors，生成相应的render pass对象。
（1） 决定如何和先前的pass进行混合（SetAlphaOverride）
（2） 位该pass生成GPU程序（GenerateShaderProgram）
A： 生成顶点着色器程序（GenerateVertexShaderProgram）
B: 生成像素着色器程序（GeneratePixelShaderProgram）
C：为每一个生成的程序创建NiShaderConstantMap，同时添加所有变量（AddResourceToShaderConstantMap）。
D：如果发生错误，则返回错误信息。
第八步：如果成功，则初始化新的shader并返回。否则处理回到控制。
2.1 创建一个shader tree
The Pipeline
在上述管线中，会生成一个shade tree并且编译每一个NiGPUProgram。在GB中，shade tree被封装到一个NiMaterialConfigurator对象中。它的子类将查找NiGPUProgramDescriptor中的标识位，从而决定那些统一常量将被关联的对应的树节点上。统一常量被封装在NiMaterialResource中，而树的节点被封装在NiMaterialNode。对应节点输入、输出资源之间以及与其它节点之间的连接，和统一常量一起被封装在NiMaterialResourceBinding中。一旦所有节点之间的连接被建立并且添加到树中，此时NiMaterialConfigurator中Evaluate函数将被调用并生成NiGPUProgram。
NiMaterialFragmentNodes
在需要创建shade tree时，必须创建节点，这些节点拥有一些代码片段。这些节点被称作NiMaterialFragmentNodes。一个指定节点包含一组代码片段，这些代码片段会和不同着色语言、不同硬件模型、不同平台进行通信。如，一个支持低级别shader mode显卡会使用较简单的光照计算但是会更快。而高级显卡中，会使用更新的指令以及更复杂的算法。所有的节点实现必须遵循同一输入、输出资源。Shade tree在所有节点的输入得到满足后建立。通常情况下节点片段会定义默认的输入资源值。
NiMaterialNodeLibraries
NiMaterialNodes可以通过NiMaterialNodeLibrary对象添加到应用程序中。这些对象包含了一组材质节点，这些节点可以被添加到一个shade tree中。这样实现了shade tree的完全数据驱动。有两种方法可以生成这些库—解析一个XML文件，或者把XML文件转换为C++类从而实现和应用程序进行连接。后一种方法在NiStandardMaterial中被使用，NiStandardMaterial是NiFragmentMaterial的子类，它实现了GB默认的渲染管线。在NiMain\StandardMaterialNodeLibrary中一个XML文件包含了材质中使用的所有片段。无论这些片段是被改变、添加、删除一组文件将调用DeveloperTool\NiMaterialNodeXMLLibraryParse执行，从而创建C++类来代表这个库。作为选择，应用程序可以使用NiMaterialNodeXMLLibraryReader来解析这个XML库。
NiMaterialResources
NiMaterialResources可以是多种数据类型，bool、uint、floar、point2s、point3s、point4s、matrix4s、colors、textures。如前所述，每一个节点会拥有一组输入、输出资源。其它资源可以来自于以下：
l 常量。
l 预定义。该类型是GB提供的一个预定义类型。
l 属性。该值是被挂载在对应几何体上，它是per-object的。
l 全局。他是应用程序注册的，如灯光相关、每一天的时间。
l 对象。它是场景中的一个对象，如灯光、纹理特效。
2.2 回调控制
偶尔，一个NiFragmentMaterial会创建shader失败。这种情况经常由于编译GPU程序失败。在这种情况下，材质会重新创建NiGPUProgramDescriptors（第四步）此时会进行简单处理，并试图再建立shader。材质也许会简单使用descriptors把一个特效分解成多个passes，或者减少特定的光照或纹理。
材质会提供相应的回调功能。这些回调函数会使用如下签名：
当回调函数被调用，它将被传入所有的NiMaterialDescriptor，它描述了所有的特效。同时将获得一个ReturnCode，该报告描述了先前为什么失败、失败pass的标识、RenderPassDescriptor（详细描述了该pass）对象数组。获得这些信息，回调函数可以标识问题的地方、以及校正信息。
3. NiMaterialInstance
该类允许一个材质被挂载到一个几何体上，它负责管理材质为渲染器生成一个新shader的方式和时间。该过程是通过保存最近、最合适的shader到指定材质来实现的。
4. NiMaterialLibrary
材质库是一种将新材质加入到GB材质系统和美术管线中的途径。一个新材质库包含一些列材质描述符（material descriptors）以及根据需要生成材质的能力。
DLL-Based Application Usage
如何使用材质库决定于材质库的使用类型，
LIB-Based Application Usage
Adding Material In Art
5. NiSingleShaderMaterial
该类是一种在应用程序中向几何体添加NiShader快速方法，首选生成NiSingleShaderMaterials的方法是NiSingleShaderMaterialLibrary,它通过在NiShaderFactory中搜索所有的NiShaderLibrary来完成的。
NiSingleShaderMaterial的GetCurrentShader方法。
6. NiStandardMaterial
该类实现了GB默认的渲染管线（tdefault Gamebryo rendering pipeline），同时它也包含了一些相关的设置，这些设置使材质和GB的legacy pipeline更为相似。
NiStandardMaterial拥有一定数量的回调函数，这些回调函数都有默认的实现。按顺序有如下几步：
A：SplitPerPixelLights
该方法会把失败pass中的per-pixel灯光一分为二，分别放到两个pass中，这样生成了一个新的pass。一旦失败该函数会一直递归知道每个pass只含有个灯光。
B：SplitPerVertexLights
与A原理类似。
C：SplitTextureMaps
该方法同样把一个失败的pass分成两个pass。在第一个pass中会和光照一起处理base、dark、detail、projected light、shadow贴图。而第二个pass会处理glow、environment贴图。该方法最多执行一次，不会递归执行。
7. NiGPUProgrammCache System
该系统设计的目的使包含那些先前被材质系统编译好的NiGPUProgramms。在一个材质系统中经常含有一些需要重用那些先前编译的GPU程序段的NiShader。由于GPU程序的编译是一非常耗费的操作。该cache可以存储那些先前的编译结果。一旦程序段被编译，它将被插入到该cache中，同时也可以选择被保存到磁盘中。
该类的两个重要接口是FindCachedProgram和GenerateProgram。前者用于搜索一个指定名字的程序段。该方法返回两个对象，即找到的GPU程序段，以及一些列被该程序段使用的资源。GenerateProgram可以完成编译一个使用高级着色语言实现的程序。
每一个种渲染器会实现自身的程序cache类，DX9-NiD3DGPUProgramCache，它可以遍历HLSL程序。如果引用程序不想手动创建程序caches，可以使用NiRenderer：SetDefaultProgramCache方法，获得正确的NiGPUProgramCache，然后再把它设给指定的NiFragmentMaterial。
应用程序可以拥有多个caches。
三、 使用
1. NiMaterial Usage
Resolving Material At Runtime：在加载时，一个美术资源引用了一个材质，此时会检查材质缓冲区（NiMaterial：GetMaterial）。如果该材质不存在，则查询材质库（NiMaterialLibrary：：CreateMaterial）。如果还是没有找到，此时渲染器会使用默认的才是绘制对象。
Adding Custom Parameters To Art
2. 使用材质
可以通过NiMaterialInstance来向指定渲染对象添加材质。这允许多个渲染对象共享一个NiMaterial实例。NiMaterialInstance包含：一个自身材质的引用、最近材质使用的NiShader、一个标志（判断当前cached shader是否为最新）、uint类型数（标识使用该shader的时间）。
GB支持同一渲染对象拥有多个材质，但特定时刻只能有一个活动材质。这样可以创建出更多的特效。
渲染对象拥有一些处理材质的方法：
ApplyMaterial添加材质。
SetActiveMaterial激活材质。
ApplyAndSetActiveMaterial，添加并激活材质。
3. Gamebryo Legacy Pipeline
GB保留Legacy Pipeline有两个原因：某些硬件不支持标准材质；保持与老版本引擎的兼容。所有的渲染器都支持Legacy Pipeline。
4. Gamebryo Standard Material
（1）标准材质的特征
5. Renderer Interaction With Material
当绘制一个物体时，首先需要通过NiRenderObject：：GetShaderFromMaterial函数来获得一个活动材质的实例—NiMaterialInstance。此时材质实例将查询NiShader用于渲染对象。
NiMaterialInstance
材质实例提供shader时，首先要做的是查询cached shader是否存在。材质实例保存了一个shader指针，从而防止将来被重新使用。
默认材质
如果当前的渲染对象没有材质处于活动状态，此时渲染器会为该渲染对象设置一个默认的材质。
Error Shader
如果渲染对象的当前活动材质不能提供一个可用的Shader，此时渲染器会使用一个Error Shader来绘制物体。
四、 使用扩展
GB的材质系统使用的可扩展设计，所以用户可以根据需要来扩展该材质系统。
用例1：使用标准Shaders
通常情况下，用户要使用简单的预定义shader程序-FX、NSF、或者其它NiShader。此时，用户使用的材质必须继承于NiMaterial。
用例2：扩展标准材质
用例3：创建子材质系统
