Что такое шейдеры в видеокарте

Что такое шейдеры в видеокарте

Пиксельный шейдер

Пиксельными шейдерами выполняют наложение текстур, освещение, и разные текстурные эффекты, такие как отражение, преломление, туман, Bump Mapping и пр. Пиксельные шейдеры также используются для пост-эффектов.

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.

На чем пишут шейдеры?

Изначально шейдеры можно было писать на assembler-like языке, но позже появились шейдерные языки высокого уровня, похожие на язык С, такие как: Cg, GLSL и HLSL.

Такие языки намного проще чем C, ведь задачи решаемые с их помощью, гораздо проще. Система типов в таких языках отражает нужды программистов графики. Поэтому они предоставляют программисту специальные типы данных: матрицы, семплеры, векторы и тп.

RenderMan

Все что мы обсудили выше относится к realtime графике. Но существуют non-realtime графика. В чем разница — realtime — реальное время, тоесть здесь и сейчас — давать 60 кадров в секунду в игре, это процесс реального времени. А вот рендерить комплексный кадр для ультрасовременной анимации по несколько минут это non-realtime. Суть во времени.

Например, графику такого качества как в последних мультипликационных фильмах студии Pixar получить в реальном времени мы сейчас получить не можем. Очень большие рендер-фермы обсчитывают симуляции света по совсем другим алгоритмам, очень затратным, но дающим почти фотореалистичные картинки.

Супер-реалистичная графика в Sand piper

Например, посмотрите, на вот этот милый мультфильм, песчинки, перышки птички, волны, все выглядит невероятно реальным.

*Видео могут забанить на Youtube, если оно не открывается, погуглите pixar sandpiper — короткометражный мультфильм про храброго песочника очень милый и пушистый. Умилит и продемонстрирует насколько крутой может быть компьютерная графика.

Так вот это RenderMan от фирмы Pixar. Он стал первым языком программирования шейдеров. API RenderMan является фактическим стандартом для профессионального рендеринга, используется во всех работах студии Pixar и не только их.

Полезная информация

Теперь Вы знаете что такое шейдеры, но помимо шейдеров, есть другие очень интересные темы в разработке игр и компьютерной графике, которые наверняка Вас заинтересуют:

  • Партиклы (системы частиц),- техника создания потрясающих эффектов в современных видео-играх. Обзорная статья и видео с уроками создания эффектов в Unity3d
  • Для начинающего Unity3d программиста,- если Вы задумываетесь о разработке видеоигр, в качестве профессиональной карьеры или хобби, эта статья содержит отличный набор рекомендаций «с чего начать», «какие книги читать» и т.д.

Если остались вопросы

Как обычно, если у Вас остались какие-то вопросы, задавайте их в комментариях, я всегда отвечу. За любое доброе слово или правку ошибок я буду очень признателен.

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.
Читайте также:  Приложение лазерный уровень для андроида

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.

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.

Читайте также:  Атланта стиральная машина отзывы

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.

С каждой новой игрой количество шейдеров в коде возрастает. Повышать качество картинки разработчикам игр удается не за счет новых идей, а путем размножения шейдеров. Расширяется штат программистов, руководство косится на разработчиков железа: успевают ли? А те и рады: плодят конвейеры, поднимают частоты, объединяют видеокарты в упряжки по две-четыре штуки. И все славно, и никому не надо ни о чем думать. Иди себе проторенным путем, сложив ответственность за результат труда на безмолвные шейдеры.

Фактически именно шейдеры кормят сейчас всю компьютерную индустрию. Какие еще задачи, кроме игр, требуют постоянно наращивать вычислительные мощности процессоров, увеличивать объемы оперативной памяти? Что, кроме, пожалуй, кодирования видео, заставит нормального пользователя втыкать в слоты PCI Express несколько видеокарт и ставить в RAID-массив нулевого уровня несколько винчестеров, дабы система не тормозила? Да, конечно, есть и другие специфические задачи (хотя бы трехмерная мультипликация и профессиональная работа со звуком) , для решения которых нужны мощные компьютеры. Но рынок таких компьютеров отнюдь не массовый, и прокормить ораву, пасущуюся в области IT, лишь продавая узкоспециализированные ПК, невозможно
Между прочим, вспомните, какими были первые шейдеры. Скромные и легкие, они бережно относились к ресурсам видеоподсистемы. Какими светлыми и радостными были первые игры, их использовавшие!

Вспомните тот же FarCry! А что же современные игры, с последними версиями третьих шейдеров? Doom 3, F. E. A. R. утопают во тьме, хотя шейдеров в них значительно больше, чем в первых играх, а сами алгоритмы стали более совершенными (вернее, должны были стать) . Парадокс? Нет. Ведь программы, описывающие условия освещения, главным образом занимаются тем, что накладывают тени на текстуры, и для моделирования самих источников света совершенно не нужны. Скорее, их можно считать источниками тьмы, а не света, то есть верными прислужниками теней.

«>

Ссылка на основную публикацию
Что такое видеопамять компьютера
Всё о Интернете, сетях, компьютерах, Windows, iOS и Android Видеопамять компьютера и объём памяти видеокарты VRAM Если открыть форум какой-нибудь...
Что значит else в паскале
Следует быть внимательными при использовании вложенных операторов if. Предпочтительнее пользоваться схемой else-if (т.е. вкладывать во внешнюю ветку else), а не...
Что значит в магазинах айфон как новый
Нас часто спрашивают, как определить состояние iPhone. Особенно актуально это при покупке смартфона на вторичном рынке, где чуть ли не...
Что такое вулкан рт на ноутбуке
Vulkan Run Time Libraries — кроссплатформенный API для работы с 2D и 3D графикой и повышения производительности графического процессора. Разработана...
Adblock detector