Шейдер

Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения.

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 15 мая 2011.

Ше́йдер (англ. Shader; схема затенения, программа построения теней) — это программа для одной из ступеней графического конвейера, используемая в трёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения. Она может включать в себя произвольной сложности описание поглощения и рассеяния света, наложения текстуры, отражение и преломление, затенение, смещение поверхности и эффекты пост-обработки.

Программируемые шейдеры гибки и эффективны. Сложные с виду поверхности могут быть визуализированы при помощи простых геометрических форм. Например, шейдеры могут быть использованы для рисования поверхности из трёхмерной керамической плитки на абсолютно плоской поверхности.

Потребность в шейдерах

В программных графических движках вся цепочка рендеринга — от определения видимых частей сцены до наложения текстуры — писалась разработчиком игры. В эту цепочку можно было включать собственные нестандартные видеоэффекты. Но с появлением видеоакселераторов разработчик оказался ограничен тем набором эффектов, который заложен в аппаратное обеспечение. Вот два примера.

• Вода в Quake 2 на программном и на OpenGL-рендеринге. При всём качестве аппаратно ускоренной картинки, вода там — просто синий светофильтр, в то время как в программном есть эффект плеска воды.
• В Counter-Strike 1.6 эффект ослепления от светошумовой гранаты на аппаратном рендеринге — белая вспышка, на программном — белая вспышка и пикселизированный экран.

Для того чтобы составлять сложные видеоэффекты из атомарных операций и были изобретены шейдеры - особые подпрограммы, написанные на специальном языке, загружаемые в видеоакселератор наравне с геометрией и текстурами и прочими данными сцены, и исполняемые видеоакселератором при формировании изображения.

Предшественниками шейдеров были процедурная генерация текстур (широко применявшаяся в Unreal для создания анимированных текстур воды и огня) и мультитекстурирование (на нём был основан язык шейдеров, применявшийся в Quake 3). Но и эти механизмы не обеспечивают такой гибкости, как шейдеры.

Типы шейдеров

В настоящее время шейдеры делятся на три типа: вершинные, геометрические и фрагментные (пиксельные).

Вершинные шейдеры (Vertex Shader)

Вершинный шейдер оперирует данными, сопоставленными с вершинами многогранников. К таким данным, в частности, относятся координаты вершины в пространстве, текстурные координаты, тангенс-вектор, вектор бинормали, вектор нормали. Вершинный шейдер может быть использован для видового и перспективного преобразования вершин, генерации текстурных координат, расчета освещения и т. д.

Геометрические шейдеры (Geometry Shader)

Геометрический шейдер, в отличие от вершинного, способен обработать не только одну вершину, но и целый примитив. Это может быть отрезок (две вершины) и треугольник (три вершины), а при наличии информации о смежных вершинах (adjacency) может быть обработано до шести вершин для треугольного примитива. Кроме того, геометрический шейдер способен генерировать примитивы «на лету», не задействуя при этом центральный процессор. Впервые начал использоваться на видеокартах Nvidia серии 8.

Пиксельные шейдеры (Pixel Shader)

Пиксельный шейдер работает с фрагментами растрового изображения. Под фрагментом изображения в данном случае понимается пиксель, которому поставлен в соответствие некоторый набор атрибутов, таких как цвет, глубина, текстурные координаты. Пиксельный шейдер используется на последней стадии графического конвейера для формирования фрагмента изображения.

Шейдерные языки

Впервые использованные в системе RenderMan компании Pixar, шейдеры получали всё большее распространение со снижением цен на компьютеры. Основное преимущество от использования шейдеров — их гибкость, упрощающая и удешевляющая цикл разработки программы, и при том повышающая сложность и реалистичность визуализируемых сцен.

Шейдерные языки обычно содержат специальные типы данных, такие как матрицы, семплеры, векторы, а также набор встроенных переменных и констант для удобной интеграции со стандартной функциональностью 3D API. Поскольку компьютерная графика имеет множество сфер приложения, для удовлетворения различных потребностей рынка было создано большое количество шейдерных языков.

Профессиональный рендеринг

Данные шейдерные языки ориентированы на достижение максимального качества визуализации. Описание свойств материалов сделано на максимально абстрактном уровне, для работы не требуется особых навыков программирования или знания аппаратной части. Такие шейдеры обычно создаются художниками с целью обеспечить «правильный вид», подобно наложению текстуры, источников света и другим аспектам их работы.

Обработка таких шейдеров обычно представляет собой ресурсоёмкую задачу. Совокупная вычислительная мощность, необходимая для обеспечения их работы, может быть очень велика, так как используется для создания фотореалистичных изображений. Основная часть вычислений при подобной визуализации выполняется большими компьютерными кластерами.

Шейдерный язык RenderMan

Основная статья: RenderMan

Шейдерный язык RenderMan, описанный в Спецификации интерфейса RenderMan, является фактическим стандартом для профессионального рендеринга. API RenderMan, разработанный Робом Куком, используется во всех работах студии Pixar. Он также является первым из реализованных шейдерных языков.

Шейдерный язык Gelato

NVIDIA Gelato представляет собой оригинальную гибридную систему рендеринга изображений и анимации трехмерных сцен и объектов, использующую для расчетов центральные процессоры и аппаратные возможности профессиональных видеокарт серии Quadro FX.

Основополагающим принципом, которого неукоснительно придерживаются разработчики, является бескомпромиссное качество финального изображения, не ограниченное ничем, в том числе — современными возможностями видеокарт. Как производственный инструмент, способный создавать конечный продукт высокого качества, Gelato предназначен для профессионального использования в таких областях как кино, телевидение, промышленный дизайн и архитектурные визуализации.

Рендеринг в реальном времени

Шейдерный язык OpenGL

Основная статья: GLSL

Шейдерный язык OpenGL носит название GLSL (The OpenGL Shading Language). GLSL основан на языке ANSI C. Большинство возможностей языка ANSI C сохранено, к ним добавлены векторные и матричные типы данных, часто применяющиеся при работе с трехмерной графикой. В контексте GLSL шейдером называется независимо компилируемая единица, написанная на этом языке. Программой называется набор откомпилированных шейдеров, связанных вместе.

Шейдерный язык Cg

Разработан nVidia совместно с Microsoft (такой же по сути язык от Microsoft называется HLSL, включён в DirectX 9). Cg расшифровывается как C for Graphics. Язык действительно очень похож на C, он использует схожие типы (int, float, а также специальный 16-битный тип с плавающей запятой — half). Поддерживаются функции и структуры. Язык обладает своеобразными оптимизациями в виде упакованных массивов (packed arrays) — объявления типа «float a[4]» и «float4 a» в нём соответствуют разным типам. Второе объявление и есть упакованный массив, операции с упакованным массивом выполняются быстрее, чем с обычными. Несмотря на то, что язык разработан nVidia, он без проблем работает и с видеокартами ATI. Однако следует учесть, что все шейдерные программы обладают своими особенностями, которые следует получить из специализированных источников.

Шейдерные языки DirectX

Низкоуровневый шейдерный язык DirectX (DirectX ASM)

По синтаксису сходен с Ассемблером. Существует несколько версий, различающихся по набору команд, а также по требуемому оборудованию. Существует разделение на вершинные (vertex) и пиксельные (pixel) шейдеры, которые различаются.

• Вершинный шейдер

Выполняет обработку геометрии, то есть изменяет параметры вершины, такие, как позицию, текстурные координаты, цвет вершин. Также может выполнять вычисления освещения. Допустимое количество команд может достигать одной-двух сотен. Пример фрагмента кода:

vs.2.0
dcl_position v0
dcl_texcoord v3
m4x4 oPos, v0, c0
mov oT0, v3

• Пиксельный шейдер

Выполняет обработку цветовых данных, полученных при рисовании треугольника. Оперирует с текстурами и цветом. Количество инструкций значительно ограничено. Так, к примеру, в версии 1.4 оно не может быть больше 32-х. Пример фрагмента кода:

ps.1.4
texld r0, t0
mul r0, r0, v0

Высокоуровневый шейдерный язык DirectX (HLSL — High Level Shader Language)

Основная статья: HLSL

Является надстройкой над DirectX ASM. По синтаксису сходен с C, позволяет использовать структуры, процедуры и функции.

Литература

• Боресков А.В. Расширения OpenGL. БХВ-Петербург, 2005 ISBN 5-94157-614-5
• Алексей Боресков Разработка и отладка шейдеров (+ CD-ROM) Издательство: БХВ-Петербург, 2006 г. ISBN 5-94157-712-5
• "Orange Book"

Ссылки

• http://steps3d.narod.ru/
• OpenGL Shading Language Specification v1.20.8. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 4 марта 2008.
• OpenGL Shading Language Specification v1.30.08. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 12 ноября 2009.
• OpenGL Shading Language Specification v1.40.07. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 12 ноября 2009.
• OpenGL Shading Language Specification v1.50.09. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 12 ноября 2009.

IDE

• Shader Config
• Render Monkey
• FX Composer