Войти
Шейдеры обычно используются для создания освещенных и затемненных областей при рендеринге 3D-моделей. Затенение Фонга (справа) является усовершенствованием затенения Гуро и было одной из первых компьютерных моделей затенения, когда-либо разработанных после базового плоского шейдера (слева), значительно улучшая внешний вид криволинейных поверхностей при рендеринге. 
Еще одно применение шейдеров - создание специальных эффектов даже на 2D-изображениях, например фото с веб-камеры . Неизмененное изображение без заливки находится слева, а то же изображение имеет шейдер, примененный справа. Этот шейдер работает, заменяя все светлые области изображения белым, а все темные области - ярко окрашенной текстурой. В компьютерной графике шейдер является типом компьютерная программа, первоначально использовавшаяся для затенения в 3D-сценах (создание соответствующих уровней света, темноты и цвет в визуализированном изображении). Теперь они выполняют множество специализированных функций в различных областях в категории компьютерной графики спецэффекты, либо выполняют постобработку видео, не связанную с затенением, или даже выполняют функции никак не связаны с графикой.
Традиционные шейдеры вычисляют эффекты рендеринга на графическом оборудовании с высокой степенью гибкости. Большинство шейдеров кодируются (и выполняются) для графического процессора (GPU), хотя это не является строгим требованием. Языки шейдинга используются для программирования конвейера рендеринга графического процессора, который в основном заменил конвейер с фиксированными функциями прошлого, который позволял только обычное преобразование геометрии и функции затенения пикселей ; с шейдерами можно использовать настраиваемые эффекты. Положение и цвет (оттенок, насыщенность, яркость и контраст ) всех пикселей, вершин и / или текстур, используемых для создания окончательного визуализированного изображения, можно изменить с помощью алгоритмов, определенных в шейдере, и могут быть изменены внешними переменными или текстурами, вводимыми компьютерной программой, вызывающей шейдер.
Шейдеры широко используются в кино постобработке, компьютерные изображения и видеоигры для создания ряда эффектов. Помимо простых моделей освещения, к более сложным применениям шейдеров относятся: изменение оттенка, насыщенности, яркости (HSL / HSV ) или контраст изображения; создание размытия, светового пятна, объемного освещения, отображения нормалей (для эффектов глубины), боке, cel shading, постеризация, отображение рельефа, искажение, цветность (для так называемого «синего экрана / эффекты зеленого экрана "), край и обнаружение движения, а также психоделические эффекты.
Такое использование термина «шейдер» было представлено общественности Pixar с версией 3.0 их интерфейса RenderMan. Спецификация, первоначально опубликованная 1 мая. 988.
По мере развития графических процессоров, основные графические программные библиотеки, такие как OpenGL и Direct3D, начали поддерживать шейдеры. Первые графические процессоры с поддержкой шейдеров поддерживали только пиксельное затенение, но вершинные шейдеры были быстро представлены, когда разработчики осознали всю мощь шейдеров. Первой видеокартой с программируемым пиксельным шейдером была Nvidia GeForce 3 (NV20), выпущенная в 2001 году. Геометрические шейдеры были представлены с Direct3D 10 и OpenGL 3.2. В конце концов, графическое оборудование эволюционировало в сторону унифицированной шейдерной модели.
Шейдеры - это простые программы, описывающие характеристики либо вершины, либо пикселя. Вершинные шейдеры описывают атрибуты (положение, координаты текстуры, цвета и т.д.) вершины, а пиксельные шейдеры описывают характеристики (цвет, z-глубина и альфа значение) пикселя. Вершинный шейдер вызывается для каждой вершины в примитиве (возможно, после тесселяции ); таким образом, одна вершина входит, одна (обновленная) вершина выходит. Затем каждая вершина отображается как серия пикселей на поверхности (блок памяти), которая в конечном итоге будет отправлена на экран.
Шейдеры заменяют часть графического оборудования, обычно называемую конвейером фиксированных функций (FFP), так называемую потому, что она выполняет освещение и наложение текстуры жестко запрограммированным образом. Шейдеры предоставляют программируемую альтернативу этому жестко запрограммированному подходу.
Базовый графический конвейер выглядит следующим образом:
Графический конвейер использует эти шаги для преобразования трехмерных (или двумерных) данных в полезные двухмерные данные для отображение. В общем, это большая матрица пикселей или «буфер кадра ».
Обычно используются три типа шейдеров (пиксельные, вершинные и геометрические шейдеры), некоторые из которых были добавлены недавно. В то время как старые видеокарты используют отдельные блоки обработки для каждого типа шейдера, новые карты имеют унифицированные шейдеры, которые способны выполнять шейдер любого типа. Это позволяет видеокартам более эффективно использовать вычислительную мощность.
2D-шейдеры действуют на цифровые изображения, также называемые текстурами в области компьютерной графики. Они изменяют атрибуты пикселей. 2D шейдеры могут принимать участие в рендеринге 3D геометрии. В настоящее время единственным типом 2D-шейдера является пиксельный шейдер.
Пиксельные шейдеры, также известные как фрагментные шейдеры, вычисляют цвет и другие атрибуты каждого «фрагмента»: единица рендеринга работа, затрагивающая не более одного вывода пиксель. Простейшие виды пиксельных шейдеров выводят один экран пиксель как значение цвета; также возможны более сложные шейдеры с несколькими входами / выходами. Пиксельные шейдеры варьируются от простого вывода одного и того же цвета до применения значения освещения до выполнения отображения рельефа, теней, зеркальных бликов, полупрозрачность и другие явления. Они могут изменять глубину фрагмента (для Z-буферизации ) или выводить более одного цвета, если активны несколько целей рендеринга. В трехмерной графике пиксельный шейдер сам по себе не может создавать некоторые виды сложных эффектов, потому что он работает только с одним фрагментом, без знания геометрии сцены (то есть данных вершин). Однако пиксельные шейдеры знают координаты экрана, которые рисуются, и могут выполнять выборку экрана и соседних пикселей, если содержимое всего экрана передается шейдеру в виде текстуры. Этот метод может обеспечить широкий спектр двухмерных эффектов постобработки, таких как размытие или обнаружение краев / улучшение для шейдеров мультфильмов / изображений. Пиксельные шейдеры также могут применяться на промежуточных этапах к любым двумерным изображениям - спрайтам или текстурам - в конвейере, тогда как вершинные шейдеры Всегда требуется 3D сцена. Например, пиксельный шейдер - это единственный вид шейдера, который может действовать как постпроцессор или фильтр для видеопотока после его растеризации..
3D-шейдеры действуют на 3D-модели или другую геометрию, но также могут получать доступ к цветам и текстурам, используемым для рисования модели или сетки. Вершинные шейдеры - это самый старый тип 3D-шейдеров, который обычно вносит изменения для каждой вершины. Новые геометрические шейдеры могут генерировать новые вершины внутри шейдера. Шейдеры тесселяции - это новейшие 3D-шейдеры; они воздействуют на группы вершин одновременно, чтобы добавить детали - например, разбивая модель на более мелкие группы треугольников или других примитивов во время выполнения, чтобы улучшить такие вещи, как кривые и выпуклости, или изменить другие атрибуты.
Вершинные шейдеры являются наиболее устоявшимся и распространенным видом 3D-шейдеров и запускаются один раз для каждой вершины, переданной графическому процессору. Цель состоит в том, чтобы преобразовать трехмерное положение каждой вершины в виртуальном пространстве в двухмерную координату, в которой она появляется на экране (а также значение глубины для Z-буфера). Вершинные шейдеры могут управлять такими свойствами, как положение, цвет и координаты текстуры, но не могут создавать новые вершины. Выходные данные вершинного шейдера поступают на следующий этап конвейера, который является либо геометрическим шейдером, если он присутствует, либо растеризатором . Вершинные шейдеры могут обеспечить мощный контроль над деталями положения, движения, освещения и цвета в любой сцене, включающей 3D-модели.
Геометрические шейдеры - это относительно новый тип шейдеров, представленный в Direct3D 10 и OpenGL 3.2; ранее доступный в OpenGL 2.0+ с использованием расширений. Этот тип шейдера может генерировать новые графические примитивы, такие как точки, линии и треугольники, из тех примитивов, которые были отправлены в начало графического конвейера .
Программы геометрического шейдера выполняются после вершинные шейдеры. Они принимают на вход целый примитив, возможно, с информацией о смежности. Например, при работе с треугольниками три вершины являются входными данными геометрического шейдера. Затем шейдер может генерировать ноль или более примитивов, которые растрируются, а их фрагменты в конечном итоге передаются в пиксельный шейдер.
. Типичные варианты использования геометрического шейдера включают создание точечных спрайтов, геометрию тесселяцию, теневой объем выдавливание и однопроходный рендеринг в кубическую карту. Типичным реальным примером преимуществ геометрических шейдеров может быть автоматическое изменение сложности сетки. В геометрический шейдер передается серия полос, представляющих контрольные точки кривой, и в зависимости от требуемой сложности шейдер может автоматически генерировать дополнительные линии, каждая из которых обеспечивает лучшее приближение кривой.
Начиная с OpenGL 4.0 и Direct3D 11, был добавлен новый класс шейдеров, называемый шейдером тесселяции. Он добавляет два новых этапа шейдера к традиционной модели: шейдеры управления тесселяцией (также известные как шейдеры корпуса) и шейдеры оценки тесселяции (также известные как шейдеры домена), которые вместе позволяют подразделить более простые сетки на более мелкие во время выполнения в соответствии с к математической функции. Функция может быть связана с множеством переменных, в первую очередь с расстоянием от камеры наблюдения, чтобы обеспечить активное масштабирование уровня детализации. Это позволяет объектам, расположенным близко к камере, иметь мелкие детали, в то время как более удаленные объекты могут иметь более грубую сетку, но кажутся сопоставимыми по качеству. Это также может значительно снизить требуемую пропускную способность сетки, позволяя уточнять сетки один раз внутри шейдерных блоков вместо того, чтобы понижать дискретизацию очень сложных из памяти. Некоторые алгоритмы могут повышать дискретизацию любой произвольной сетки, в то время как другие позволяют «намекать» в сетках, чтобы определять наиболее характерные вершины и ребра.
Примерно в 2017 году в AMD Vega микроархитектура добавлена поддержка нового этапа шейдеров - примитивных шейдеров - что-то вроде вычислений шейдеры с доступом к данным, необходимым для обработки геометрии. Аналогичным образом, Nvidia представила сеточные шейдеры и шейдеры задач со своей микроархитектурой Тьюринга в 2018 году, которые обеспечивают аналогичную функциональность, и, как и примитивные шейдеры AMD, также моделируются после вычислительных шейдеров. 152>не ограничиваются графическими приложениями, но используют те же ресурсы выполнения для GPGPU. Их можно использовать в графических конвейерах, например. для дополнительных этапов анимации или алгоритмов освещения (например, мозаичный прямой рендеринг ). Некоторые API рендеринга позволяют вычислительным шейдерам легко обмениваться ресурсами данных с графическим конвейером.
Шейдеры написаны для одновременного применения преобразований к большому набору элементов, например, к каждому пикселю в области экрана или для каждой вершины модели.. Это хорошо подходит для параллельной обработки, и большинство современных графических процессоров имеют несколько шейдерных конвейеров для облегчения этого, значительно повышая производительность вычислений.
Модель программирования с шейдерами похожа на функцию высшего порядка для рендеринга, принимая шейдеры в качестве аргументов и обеспечивая определенный поток данных между промежуточными результатами, что позволяет использовать оба параллелизм данных (по пикселям, вершинам и т. Д.) И конвейерный параллелизм (между этапами). (см. также карту уменьшения ).
Язык программирования шейдеров зависит от целевой среды. Официальным языком шейдинга OpenGL и OpenGL ES является язык шейдеров OpenGL, также известный как GLSL, а официальным языком шейдеров Direct3D является язык шейдеров высокого уровня, также известный как HLSL. Cg, сторонний язык шейдинга, который выводит шейдеры OpenGL и Direct3D, был разработан Nvidia ; однако с 2012 года он устарел. Apple выпустила свой собственный язык затенения под названием Metal Shading Language как часть Metal framework.
Современные платформы разработки видеоигр, такие как Unity и Unreal Engine все чаще включают возможности создания шейдеров без необходимости в реальном коде; вместо этого пользователю предоставляется направленный граф связанных узлов, который позволяет пользователям направлять различные текстуры, карты и математические функции в выходные значения, такие как диффузный цвет, зеркальный цвет и интенсивность, шероховатость / металличность, высота, нормально и так далее. Затем автоматическая компиляция превращает график в настоящий скомпилированный шейдер.
