No Image

Что такое пиксельные шейдеры

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
10 марта 2020

Слово «ше́йдер» имеет несколько значений. В этой статье описано только одно из них.

Ше́йдер (англ. shader «затеняющий») — компьютерная программа, предназначенная для исполнения процессорами видеокарты (GPU). Шейдеры составляются на одном из специализированных языков программирования (см. ниже) и компилируются в инструкции для cpU.

Содержание

Применение [ править | править код ]

Программы, работающие с трёхмерной графикой и видео (игры, GIS, CAD, CAM и др.), используют шейдеры для определения параметров геометрических объектов или изображения, для изменения изображения (для создания эффектов сдвига, отражения, преломления, затемнения с учётом заданных параметров поглощения и рассеяния света, для наложения текстур на геометрические объекты и др.).

История [ править | править код ]

Ранее разработчики игр реализовывали алгоритм создания изображений из геометрических объектов (рендеринг) вручную: составляли алгоритм определения видимых частей сцены, составляли алгоритм наложения текстур, составляли алгоритмы, создающие нестандартные видеоэффекты. Для ускорения рисования некоторые алгоритмы рендеринга были реализованы на аппаратном уровне — с помощью видеокарты. Разработчики игр могли использовать алгоритмы, реализуемые видеокартой, но не могли заставить видеокарту исполнять их собственные алгоритмы, например, для создания нестандартных эффектов. Нестандартные алгоритмы исполнялись на центральном процессоре, более медленном (для задач обработки графики) по сравнению с процессорами видеокарты. Рассмотрим два примера.

  • Вода в игре 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 игре Counter-Strike 1.6 эффект ослепления от светошумовой гранаты на аппаратном рендеринге — белая вспышка, на программном — белая вспышка и пикселизированный экран.

Для решения проблемы в видеокарты стали добавлять (аппаратно) алгоритмы, востребованные разработчиками. Вскоре стало ясно, что реализовать все алгоритмы невозможно и нецелесообразно; решили дать разработчикам доступ к видеокарте — позволить собирать блоки графического процессора в произвольные конвейеры, реализующие разные алгоритмы. Программы, предназначенные для выполнения на процессорах видеокарты, получили название «шейдеры». Были разработаны специальные языки для составления шейдеров. Теперь в видеокарты загружались не только данные о геометрических объектах («геометрия»), текстуры и другие данные, необходимые для рисования (формировании изображения), но и инструкции для GPU.

До начала применения шейдеров использовались процедурная генерация текстур (например, применялась в игре Unreal для создания анимированных текстур воды и огня) и мультитекстурирование (на нём был основан язык шейдеров, применявшийся в игре Quake 3). Эти механизмы не обеспечивали такой же гибкости, как шейдеры.

С появлением перенастраиваемых графических конвейеров появилась возможность проводить на GPU математические расчёты (GPGPU). Наиболее известные механизмы GPGPU — nVidia CUDA, Microsoft DirectCompute и открытые OpenCL, Vulkan от консорциума Khronos Group.

Типы шейдеров [ править | править код ]

Сначала видеокарты оснащали несколькими специализированными процессорами, поддерживающими разные наборы инструкций. Шейдеры делили на три типа в зависимости от того, какой процессор будет их исполнять (в зависимости от того, какие наборы инструкций доступны):

Затем видеокарты стали оснащать универсальными процессорами (GPU), поддерживающими наборы инструкций всех трёх типов шейдеров (унифицировали шейдерную архитектуру). Деление шейдеров на типы сохранилось для описания назначения шейдера. Появилась возможность выполнения на GPU вычислений общего назначения (не связанных только с компьютерной графикой), например майнинг, нейронные сети.

Вершинный шейдер оперирует данными, связанными с вершинами многогранников, например, с координатами вершины (точки) в пространстве, с текстурными координатами, с цветом вершины, с вектором касательной, с вектором бинормали, с вектором нормали. Вершинный шейдер может использоваться для видового и перспективного преобразования вершин, для генерации текстурных координат, для расчёта освещения и т. д.

Читайте также:  Mcpr tool для удаления mcafee

Пример кода для вершинного шейдера на языке DirectX ASM:

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

Геометрические шейдеры впервые стали использоваться на видеокартах Nvidia серии 8.

Пиксельные (фрагментные) шейдеры

Пиксельный шейдер работает с фрагментами растрового изображения и с текстурами — обрабатывает данные, связанные с пикселями (например, цвет, глубина, текстурные координаты). Пиксельный шейдер используется на последней стадии графического конвейера для формирования фрагмента изображения.

Пример кода для пиксельного шейдера на языке DirectX ASM:

Достоинства и недостатки [ править | править код ]

  • возможность составления любых алгоритмов (гибкость, упрощение и удешевление цикла разработки программы, повышение сложности и реалистичности визуализируемых сцен);
  • повышение скорости выполнения (по сравнению со скоростью выполнения того же алгоритма, исполняемого на центральном процессоре).
  • необходимость изучения нового языка программирования;
  • существование различных наборов инструкций для GPU разных производителей.

Языки программирования [ править | править код ]

Для удовлетворения различных потребностей рынка (компьютерная графика имеет множество сфер применения) было создано большое количество языков программирования шейдеров.

Обычно, языки для написания шейдеров предоставляют программисту специальные типы данных (матрицы, семплеры, векторы и др.), набор встроенных переменных и констант (для взаимодействия со стандартной функциональностью 3D API).

Далее перечислены языки программирования шейдеров, ориентированные на достижение максимального качества визуализации. На таких языках свойства материалов описываются с помощью абстракций. Это позволяет писать код людям, не имеющим особых навыков программирования и не знающим особенностей аппаратных реализаций. Например, художники могут писать такие шейдеры с целью обеспечить «правильный вид» (наложение текстур, расположение источников света и др.).

Обычно, обработка таких шейдеров довольно ресурсоёмка: создания фотореалистичных изображений требует больших вычислительных мощностей. Обычно, основная часть вычислений выполняется большими компьютерными кластерами или блэйд-системами.

RenderMan Язык программирования шейдеров, реализованный в ПО RenderMan фирмы Pixar, стал первым языком программирования шейдеров. API RenderMan разработано Робом Куком и описано в спецификации интерфейса RenderMan, является фактическим стандартом для профессионального рендеринга, используется во всех работах студии Pixar. OSL OSL — англ. Open Shading Language [1] — язык программирования шейдеров, разработанный фирмой Sony Pictures Imageworks [en] [2] и напоминающий язык C. Используется в проприетарной программе «Arnold», разработанной фирмой «Sony Pictures Imageworks» и предназначенной для рендеринга, и в свободной программе Blender [3] , предназначенной для создания трёхмерной компьютерной графики. Рендеринг в реальном времени GLSL GLSL (англ. the OpenGL Shading Language ) [4] — язык программирования шейдеров, описанный в стандарте OpenGL и основанный на версии языка C, описанной в стандарте ANSI C. Язык поддерживает большинство возможностей ANSI C, поддерживает типы данных, часто применяемые при работе с трехмёрной графикой (векторы, матрицы). Словом «шейдер» в языке GLSL называется независимо компилируемая единица, написанная на этом языке. Словом «программа» называется набор скомпилированных шейдеров, связанных вместе. Cg Cg (англ. C for graphics ) — язык программирования шейдеров, разработанный фирмой nV >DirectX 9 . В языке используются типы «int», «float», «half» (число с плавающей запятой размером 16 бит ). Язык поддерживает функции и структуры. Язык обладает своеобразными оптимизациями в виде «упакованных массивов» (англ. packed arrays ): объявления типа «float a[4]» и «float4 a» соответствуют разным типам; второе объявление создаёт «упакованный массив»; операции с «упакованным массивом» выполняются быстрее, чем с обычным. Несмотря на то, что язык разработан фирмой nVidia, исходный код может компилироваться в инструкции и для GPU видеокарт фирмы ATI. Следует учесть, что все шейдерные программы обладают своими особенностями, узнать о которых можно из специализированных источников. Языки программирования шейдеров для DirectX DirectX ASM DirectX ASM — низкоуровневый язык программирования шейдеров, разработанный для DirectX. Синтаксис языка схож с синтаксисом языка ассемблера для процессоров x86. Существует несколько версий языка, отличающихся друг от друга наборами поддерживаемых инструкций GPU и требованиями к оборудованию. Вершинный шейдер может состоять из 100—200 инструкций. Количество инструкций пиксельного шейдера более ограничено; например, в языке версии 1.4 пиксельный шейдер не может включать более 32-х инструкций. HLSL HLSL (англ. High Level Shader Language ) — высокоуровневый язык программирования шейдеров, разработанный для DirectX и похожий на язык C. Представляет собой надстройку над языком DirectX ASM. Позволяет использовать структуры, процедуры и функции.

Читайте также:  Забыла свой электронный адрес как узнать

Содержание материала

Pixel Shader (Пиксельный Шейдер)

Пиксельные шейдеры — это программы, выполняемые видеочипом во время растеризации для каждого пикселя изображения, они производят выборку из текстур и/или математические операции над цветом и значением глубины (Z-buffer) пикселей. Все инструкции пиксельного шейдера выполняются попиксельно, после того, как операции с трансформированием и освещением геометрии завершены. Пиксельный шейдер в итоге своей работы выдает конечное значение цвета пикселя и Z-значение для последующего этапа графического конвейера, блендинга. Наиболее простой пример пиксельного шейдера, который можно привести: банальное мультитекстурирование, просто смешение двух текстур (diffuse и lightmap, например) и наложение результата вычисления на пиксель.

До появления видеочипов с аппаратной поддержкой пиксельных шейдеров, у разработчиков были лишь возможности по обычному мультитекстурированию и альфа-блендингу, что существенно ограничивало возможности по многим визуальным эффектам и не позволяло делать многое из того, что сейчас доступно. И если с геометрией еще что-то можно было делать программно, то с пикселями — нет. Ранние версии DirectX (до 7.0 включительно) всегда выполняли все расчеты повершинно и предлагали крайне ограниченную функциональность по попиксельному освещению (вспоминаем EMBM — environment bump mapping и DOT3) в последних версиях. Пиксельные шейдеры сделали возможным освещение любых поверхностей попиксельно, используя запрограммированные разработчиками материалы. Появившиеся в NV20 пиксельные шейдеры версии 1.1 (в понимании DirectX) уже могли не только делать мультитекстурирование, но и многое другое, хотя большинство игр, использующих SM1, просто использовали традиционное мультитекстурирование на большинстве поверхностей, выполняя более сложные пиксельные шейдеры лишь на части поверхностей, для создания разнообразных спецэффектов (все знают, что вода до сих пор является наиболее частым примером использования пиксельных шейдеров в играх). Сейчас, после появления SM3 и поддерживающих их видеочипов, возможности пиксельных шейдеров доросли уже до того, чтобы с их помощью делать даже трассировку лучей (raytracing), пусть пока с некоторыми ограничениями.

Читайте также:  Восстановление смс в ватсапе

Примеры применения пиксельных шейдеров:

  • Мультитекстурирование. Несколько слоев текстур (colormap, detailmap, lightmap и т.д.). Используется вообще во всех играх.
  • Попиксельное освещение.Bump mapping. Normal mapping. С недавних пор применяется практически везде.
  • Постобработка кадра. Все эти эффекты Bloom, Depth of Field и Motion Blur.
  • Процедурные текстуры, такие, как текстура дерева или мрамора. Примеры:

01 Введение

Это упражнение для абсолютных новичков в общении с шейдерами. Это значит, что мы бегло пройдем по основным аспектам пиксельных шейдеров, старясь объяснить все более-менее простым языком.
Пиксельные шейдеры гораздо легче для понимания, чем вертексные (вершинные) шейдеры, поэтому сейчас это однозначно правильный выбор для вас.

01.1 Зачем мне использовать шейдеры?

Прежде всего из-за производительности: шейдеры очень легкие быстрые. Эти небольшие программки запускаются «независимо» от остального патча, прямо в вашей видеокарте. Но самое главное: они дают почти безграничные возможности визуализации. Можно сделать столько всего!

01.2 Как поставить шейдер в ваш патч

Шейдеры (все шейдеры объединены в категорию Эффекты – EX9.Effect) – это небольшие программы, написанные на языке (HLSL "high level shader language") но представленные в vvvv как обычные ноды. Главное отличие от обычных нодов в том, что если вы кликните правой кнопкой мыши по ноду эффекта, откроется дополнительное окно с кодом шейдера. Это встроенный в vvvv редактор языка HLSL, вы можете вносить изменения, не останавливая работу патча!

В пакет vvvv включено несколько шейдеров (это файлы с разрешением .fx) в папке effects. Если вы пишите новый шейдер или скачиваете его с сайта, просто скопируйте файл в эту папку. После поиска обновлений (Alt-E или Rescan for Externals в меню ), он будет доступен через всплывающий список нодов. Шейдер можно открыть в патче, как и любой другой нод, через всплывающий список, набирая название или сочетанием Shift+Ctrl+O

Все шейдеры, которые мы сделаем в этом упражнении, основаны на файле шейдера «template.fx» (он поэтому так и называется – «шаблон»), потому что это хорошая отправная точка для всех новых шейдеров.

Для использования примеров из этого упражнения вам нужна видеокарта, поддерживающая пиксельные шейдеры 2.0 (PS 2.0)! Уже более 5 лет все более-менее нормальные видеокарты поддерживают эти шейдеры.

01.3 Четыре основные части в файле шейдера

1. PARAMETERS здесь задаются входные пины и значения параметров
2. VERTEXSHADERS вертексные (вершинные) эффекты
3. PIXELSHADERS пиксельные эффекты (сейчас мы будем работать в основном с этой частью)
4. TECHNIQUES задается техника обработки и поддерживаемая версия шейдера

Несколько важных замечаний, прежде чем мы начнем писать свой первый шейдер:

  • старайтесь делать код как можно более лаконичным, например, вместо if (col.r > threshold) col.r = 1, пишите col.r = (col.r > threshold)
  • часто лучшие результаты достигаются двойным рендером и двумя шейдерами, например размытие (blur) лучше сделать сначала горизонтальным блюром, а получившийся результат обработать вертикальным блюром.

Но хватит теории! Приступаем к написанию вашего первого шейдера! И не забудьте выкладывать на сайте ваши новые крутые шейдеры!
Перед началом упражнений, скачайте пакет патчей и шейдеров, используемых в них:
pixelshader_for_newbies_20050922.zip

Наберите в google "morphologic filter" или "kernel filters" и найдете много подходящих сайтов

если вы хотите запостить код шейдера на форуме, не забудьте заменить сочетанием

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
Adblock detector