Material System
一、 簡介
GB的材質系統是一種基於NiMesh的渲染狀態創建相應NiShader實例的機制。開發者經常需要爲多個對象進行同種特效處理，以及當單個NiShader無法滿足繪製需求時，與其讓一個美術爲不同幾何體提供不同的NiShader，不如使用單個NiMaterial，它可以在運行時爲每一個幾何體提供合適的NiShader。
一個簡單材質可以查詢mesh從而決定它是否進行蒙皮（Skinned）處理。它可以選擇不同的蒙皮（被NiShader定義，並從shader library中加載）。一些複雜的材質，可以動態生成着色程序，這些着色程序既可以被添加也可以被減少。在添加系統中可以使用各種高級着色語言程序段，並把他們練到一起從而組成一個完整的着色程序。在減少系統中可以使用預編譯處理器命令（compile-time preprocessor commands）進入一個着色程序並刪除相應的片段。
NiMaterial VS NiShader
一個NiShader包含了一個幾何體繪製時的所有渲染狀態。它可以掃描多個render pass從而描述幾何體在不同情況下如何被繪製。一個NiShader可以被多個幾何體共享。
可以使用NSF或FX Shader來實現NiShader，這些shader可以被用來創建各種特效，但在特定情況下，只有一個被激活。
一個NiMaterial負責根據不同情況決定使用那一個NiShader，以及當NiShader不存在時可以創建。NiMaterial會根據NiMesh以及它的屬性，以及當前硬件、用戶設定來做出正確的決定。
總之，NiMaterial描述瞭如何進行使用特效，而 NiShader實現具體的特效。
二、 架構
1. NiMaterial
爲開發者提供了一種方法，使得它可以控制特定的渲染對象使用那個NiShader。應用程序在使用材質系統時，首先會詢問先前的shader是否繼續有效（IsShaderCurrent），如果無效或先前沒有shader則會調用GetCurrentShader，即提供一個可用的Material。
NiFragmentMaterial：負責添加高級着色語言系統的基類
NiSingleShaderMaterial：在材質框架中引入NiShader基類。
2. NiFragmentMaterial
該類是處理shader fragment system（着色器程序段）的基類，通常該系統使用hlsl或cg函數去定義一個完整的着色程序，這些函數的輸入和輸出可以被被連接在一起，從而完成一個完整的着色程序。這些程序段的連接關係形成了一個“shader tree”。
NiFragmentMaterial封裝了GB中實現一個shader-tree的框架，這條管線裏生成一個編譯好的shader需要經過如下步驟：
第一步：生成幾何體的材質描述符。該過程生成一個NiMaterialDescriptor對象，它時一個128位，描述了幾何體附屬於shader-tree的狀態信息。GenerateDescriptor封裝了這一過程。
第二步：查詢NiShader緩衝區決定該材質配置是否已經被處理。如果沒則使用GenerateShader，如果處理過了只要重新使用即可。
第三步：搜索失敗shader列表，判斷該材質配置是否被當前硬件支持，如果否，則返回NULL，此時渲染器會使用內部error shader。
第四步：把材質描述符分解成一個或多個NiGPUProgrammDescriptors。它是一個128位，包含了pass生成所有正確NiGPUProgram的條件。GenerateShaderDescArray封裝了這一過程。
第五步：爲當前渲染器創建合適的NiShader子類。
第六步：爲該shader指定packing requirements。
第七步：遍歷材質實例中的每一個NiGPUProgramDescriptors，生成相應的render pass對象。
（1） 決定如何和先前的pass進行混合（SetAlphaOverride）
（2） 位該pass生成GPU程序（GenerateShaderProgram）
A： 生成頂點着色器程序（GenerateVertexShaderProgram）
B: 生成像素着色器程序（GeneratePixelShaderProgram）
C：爲每一個生成的程序創建NiShaderConstantMap，同時添加所有變量（AddResourceToShaderConstantMap）。
D：如果發生錯誤，則返回錯誤信息。
第八步：如果成功，則初始化新的shader並返回。否則處理回到控制。
2.1 創建一個shader tree
The Pipeline
在上述管線中，會生成一個shade tree並且編譯每一個NiGPUProgram。在GB中，shade tree被封裝到一個NiMaterialConfigurator對象中。它的子類將查找NiGPUProgramDescriptor中的標識位，從而決定那些統一常量將被關聯的對應的樹節點上。統一常量被封裝在NiMaterialResource中，而樹的節點被封裝在NiMaterialNode。對應節點輸入、輸出資源之間以及與其它節點之間的連接，和統一常量一起被封裝在NiMaterialResourceBinding中。一旦所有節點之間的連接被建立並且添加到樹中，此時NiMaterialConfigurator中Evaluate函數將被調用並生成NiGPUProgram。
NiMaterialFragmentNodes
在需要創建shade tree時，必須創建節點，這些節點擁有一些代碼片段。這些節點被稱作NiMaterialFragmentNodes。一個指定節點包含一組代碼片段，這些代碼片段會和不同着色語言、不同硬件模型、不同平臺進行通信。如，一個支持低級別shader mode顯卡會使用較簡單的光照計算但是會更快。而高級顯卡中，會使用更新的指令以及更復雜的算法。所有的節點實現必須遵循同一輸入、輸出資源。Shade tree在所有節點的輸入得到滿足後建立。通常情況下節點片段會定義默認的輸入資源值。
NiMaterialNodeLibraries
NiMaterialNodes可以通過NiMaterialNodeLibrary對象添加到應用程序中。這些對象包含了一組材質節點，這些節點可以被添加到一個shade tree中。這樣實現了shade tree的完全數據驅動。有兩種方法可以生成這些庫—解析一個XML文件，或者把XML文件轉換爲C++類從而實現和應用程序進行連接。後一種方法在NiStandardMaterial中被使用，NiStandardMaterial是NiFragmentMaterial的子類，它實現了GB默認的渲染管線。在NiMain\StandardMaterialNodeLibrary中一個XML文件包含了材質中使用的所有片段。無論這些片段是被改變、添加、刪除一組文件將調用DeveloperTool\NiMaterialNodeXMLLibraryParse執行，從而創建C++類來代表這個庫。作爲選擇，應用程序可以使用NiMaterialNodeXMLLibraryReader來解析這個XML庫。
NiMaterialResources
NiMaterialResources可以是多種數據類型，bool、uint、floar、point2s、point3s、point4s、matrix4s、colors、textures。如前所述，每一個節點會擁有一組輸入、輸出資源。其它資源可以來自於以下：
l 常量。
l 預定義。該類型是GB提供的一個預定義類型。
l 屬性。該值是被掛載在對應幾何體上，它是per-object的。
l 全局。他是應用程序註冊的，如燈光相關、每一天的時間。
l 對象。它是場景中的一個對象，如燈光、紋理特效。
2.2 回調控制
偶爾，一個NiFragmentMaterial會創建shader失敗。這種情況經常由於編譯GPU程序失敗。在這種情況下，材質會重新創建NiGPUProgramDescriptors（第四步）此時會進行簡單處理，並試圖再建立shader。材質也許會簡單使用descriptors把一個特效分解成多個passes，或者減少特定的光照或紋理。
材質會提供相應的回調功能。這些回調函數會使用如下簽名：
當回調函數被調用，它將被傳入所有的NiMaterialDescriptor，它描述了所有的特效。同時將獲得一個ReturnCode，該報告描述了先前爲什麼失敗、失敗pass的標識、RenderPassDescriptor（詳細描述了該pass）對象數組。獲得這些信息，回調函數可以標識問題的地方、以及校正信息。
3. NiMaterialInstance
該類允許一個材質被掛載到一個幾何體上，它負責管理材質爲渲染器生成一個新shader的方式和時間。該過程是通過保存最近、最合適的shader到指定材質來實現的。
4. NiMaterialLibrary
材質庫是一種將新材質加入到GB材質系統和美術管線中的途徑。一個新材質庫包含一些列材質描述符（material descriptors）以及根據需要生成材質的能力。
DLL-Based Application Usage
如何使用材質庫決定於材質庫的使用類型，
LIB-Based Application Usage
Adding Material In Art
5. NiSingleShaderMaterial
該類是一種在應用程序中向幾何體添加NiShader快速方法，首選生成NiSingleShaderMaterials的方法是NiSingleShaderMaterialLibrary,它通過在NiShaderFactory中搜索所有的NiShaderLibrary來完成的。
NiSingleShaderMaterial的GetCurrentShader方法。
6. NiStandardMaterial
該類實現了GB默認的渲染管線（tdefault Gamebryo rendering pipeline），同時它也包含了一些相關的設置，這些設置使材質和GB的legacy pipeline更爲相似。
NiStandardMaterial擁有一定數量的回調函數，這些回調函數都有默認的實現。按順序有如下幾步：
A：SplitPerPixelLights
該方法會把失敗pass中的per-pixel燈光一分爲二，分別放到兩個pass中，這樣生成了一個新的pass。一旦失敗該函數會一直遞歸知道每個pass只含有個燈光。
B：SplitPerVertexLights
與A原理類似。
C：SplitTextureMaps
該方法同樣把一個失敗的pass分成兩個pass。在第一個pass中會和光照一起處理base、dark、detail、projected light、shadow貼圖。而第二個pass會處理glow、environment貼圖。該方法最多執行一次，不會遞歸執行。
7. NiGPUProgrammCache System
該系統設計的目的使包含那些先前被材質系統編譯好的NiGPUProgramms。在一個材質系統中經常含有一些需要重用那些先前編譯的GPU程序段的NiShader。由於GPU程序的編譯是一非常耗費的操作。該cache可以存儲那些先前的編譯結果。一旦程序段被編譯，它將被插入到該cache中，同時也可以選擇被保存到磁盤中。
該類的兩個重要接口是FindCachedProgram和GenerateProgram。前者用於搜索一個指定名字的程序段。該方法返回兩個對象，即找到的GPU程序段，以及一些列被該程序段使用的資源。GenerateProgram可以完成編譯一個使用高級着色語言實現的程序。
每一個種渲染器會實現自身的程序cache類，DX9-NiD3DGPUProgramCache，它可以遍歷HLSL程序。如果引用程序不想手動創建程序caches，可以使用NiRenderer：SetDefaultProgramCache方法，獲得正確的NiGPUProgramCache，然後再把它設給指定的NiFragmentMaterial。
應用程序可以擁有多個caches。
三、 使用
1. NiMaterial Usage
Resolving Material At Runtime：在加載時，一個美術資源引用了一個材質，此時會檢查材質緩衝區（NiMaterial：GetMaterial）。如果該材質不存在，則查詢材質庫（NiMaterialLibrary：：CreateMaterial）。如果還是沒有找到，此時渲染器會使用默認的纔是繪製對象。
Adding Custom Parameters To Art
2. 使用材質
可以通過NiMaterialInstance來向指定渲染對象添加材質。這允許多個渲染對象共享一個NiMaterial實例。NiMaterialInstance包含：一個自身材質的引用、最近材質使用的NiShader、一個標誌（判斷當前cached shader是否爲最新）、uint類型數（標識使用該shader的時間）。
GB支持同一渲染對象擁有多個材質，但特定時刻只能有一個活動材質。這樣可以創建出更多的特效。
渲染對象擁有一些處理材質的方法：
ApplyMaterial添加材質。
SetActiveMaterial激活材質。
ApplyAndSetActiveMaterial，添加並激活材質。
3. Gamebryo Legacy Pipeline
GB保留Legacy Pipeline有兩個原因：某些硬件不支持標準材質；保持與老版本引擎的兼容。所有的渲染器都支持Legacy Pipeline。
4. Gamebryo Standard Material
（1）標準材質的特徵
5. Renderer Interaction With Material
當繪製一個物體時，首先需要通過NiRenderObject：：GetShaderFromMaterial函數來獲得一個活動材質的實例—NiMaterialInstance。此時材質實例將查詢NiShader用於渲染對象。
NiMaterialInstance
材質實例提供shader時，首先要做的是查詢cached shader是否存在。材質實例保存了一個shader指針，從而防止將來被重新使用。
默認材質
如果當前的渲染對象沒有材質處於活動狀態，此時渲染器會爲該渲染對象設置一個默認的材質。
Error Shader
如果渲染對象的當前活動材質不能提供一個可用的Shader，此時渲染器會使用一個Error Shader來繪製物體。
四、 使用擴展
GB的材質系統使用的可擴展設計，所以用戶可以根據需要來擴展該材質系統。
用例1：使用標準Shaders
通常情況下，用戶要使用簡單的預定義shader程序-FX、NSF、或者其它NiShader。此時，用戶使用的材質必須繼承於NiMaterial。
用例2：擴展標準材質
用例3：創建子材質系統