Shader-ohjelma

Shader-ohjelma (toisinaan vain shader tai ohjelma) eli varjostin tai sävytin on ohjelma, joka mahdollistaa grafiikkaliukuhihnan muokkaamisen ja on kirjoitettu tarkoitukseen suunnatulla kielellä.[1] Nimitys johtuu historiallisista syistä.[1][2] Robert L. Cookin artikkeli Shade Trees julkaistiin vuonna 1984 ja RenderManin RenderMan Shading Language -kieli kehittyi tästä ideasta.[2][3]

RenderManin kieltä on yritetty soveltaa myös grafiikkasuorittimille (GPU), jolloin havaittiin tärkeiden toimintojen puuttuminen täyteen ohjelmoitavuuteen.[2]

Grafiikkasuorittimien ominaisuudet ovat kehittyneet kiinteätoimisista (konfiguroitavista) suuremmalle ohjelmoitavuudelle.[2] Tyypillisessä grafiikkaliukuhihnassa on vaiheet:[1]

  1. (verteksit) verteksikohtainen muunnos näyttöavaruuteen
  2. (rasterointi) kolmiokohtainen iteraatio, perspektiivikorjaus
  3. (pikseli) pikselikohtainen varjostus
  4. (lopputuloksen yhdistäminen) varjostuksen yhdistäminen väri- ja syvyyspuskurien kanssa

Ohjelmoitavassa liukuhihnassa vaiheiden järjestys on kiinteä, mutta niiden toteutus on ohjelmoitavissa.[1] Aluksi ohjelmoitavuus keskittyi pikselien varjostukseen, mutta shader-mallien kehityksen myötä myös muut vaiheet tulivat ohjelmoitaviksi sekä merkittäviä uusia vaiheita kuten geometrian käsittely.[2] Sonyn PlayStation 3:ssa ja Microsoftin Xbox 360:ssa oli mukana edistyneet ominaisuudet (Shader Model 3.0) ja kiinteätoiminen liukuhihna oli vähentynyt: Nintendon Wii oli mahdollisesti viimeinen kiinteätoimista liukuhihnaa käyttävä pelikonsoli.[2]

Grafiikkasuorittimien varhainen ohjelmointi suoritettiin assemblyn kaltaisella kielellä, mutta myöhemmin on rajattu mahdollisuudet käyttämään vain korkean tason ohjelmointikieliä kuten HLSL ja GLSL (OpenGL Shading Language): assembly on näkyvillä vain debuggausta varten.[2] Unified Shader -mallissa grafiikkaliukuhihnan eri vaiheilla on samat ominaisuudet.[4]

Shader-tyypit

Vertex shader (verteksivarjostin) suoritetaan mallin ja näkymän muunnoksien (engl. transformation) sekä projektion vaiheessa.[2] Vertex shaderin käyttökohteita ovat muun muassa hahmon liikkeiden animointi ja veden pinnan muodonmuutokset.[5] Pixel shader viittaa ohjelmaan, joka suoritetaan pikselikohtaisessa vaiheessa ja laskee efektin pikselikohtaisesti.[1][6]

Fragment shader (fragmenttivarjostin, pikselivarjostin) on suoritusvaihe, joka käsittelee rasteroinnin tuottaman fragmentin.[7] Fragment viittaa kolmion osaan, joka on päällekkäinen pikselin kanssa.[1]

Geometry shader (geometriavarjostin) on heti verteksivaiheen jälkeen suoritettava, jolle annetaan primitiivi sekä mahdollisesti siihen liittyvät ja se voi tuottaa useampia primitiivejä (lisäys) tai ei yhtään (poistaminen).[2][8] Geometry shader on valinnainen ja voidaan käyttää tesselaatioon ennen verteksien jälkikäsittelyä.[9] Tesselaatioon on myös Tessellation Control Shader sekä Tessellation Evaluation Shader.[10] Sonylla ja Microsoftilla on tesselaation käsittelyvaiheet (hull- ja domain-vaiheet).[11][12]

AMD on esitellyt vuonna 2017 Vega-arkkitehtuurin myötä primitive shader -tyyppisen geometriavaiheen, joka on computer shaderin kaltainen tiedon käsittelyssä.[13] Tämän tavoitteena on tehokkaampi primitiivien poisto ja siten tehokkaampi renderöinti.[13] Nvidia on esitellyt Turing-arkkitehtuurin myötä vastaavan mesh shader -vaiheen.[14] Vulkan-rajapinnassa mesh-shader toimii vaihtoehtoisena geometrian käsittelynä ja yksinkertaistaa geometrian käsittelyn pienempään määrään vaiheita tarjoamalla vaihtoehdon perinteisille verteksi-, tesselaatio- ja geometria-vaiheille.[15] Mesh-shaderin kanssa voi käyttää valinnaista task-shader vaihetta (amplification shader DirectX:ssä), joiden tuloksen voi syöttää suoraan rasterointiin.[15] Geometrian käsittelyn lisäksi mesh-shader voi tehdä yksinkertaisia laskentaoperaatioita.[15]

Compute shader (laskentavarjostin) on laskennalliseen GPGPU-käyttöön suunnattu ohjelma, joka ei ole osa normaalia renderöintiliukuhihnaa.[16][17][18] Laskennalliseen käyttöön on kehitetty arkkitehtuurit kuten Nvidian CUDA, Microsoftin DirectCompute sekä OpenCL, jotka käyttävät SPMD-ohjelmointimallia (Single Program Multiple Data).[19] SPMD-mallit käyttävät SIMD-ytimiä ja ohittavat grafiikkaliukuhihnan käyttäen vain yhtä laskentavaihetta.[19]

Kieliä

Kieliä on kehitetty lukuisia sekä offline-renderöintiin (elokuvateollisuus) että reaaliaikaiseen käyttöön.

Offline-renderöinti

Reaaliaikainen renderöinti
  • ARB assembly language, Khronos Group
  • OpenGL shading language (GLSL, GLSLang), standardoitu
  • Cg, Nvidia[20]
  • HLSL, (High-Level Shading Language), Microsoft
  • PlayStation Shader Language, Sony[12]
  • Metal Shading Language, Apple[21]

Lähteet
  1. Akeley, Feiner, Foley, Hughes, Van Dam, McGuire, Sklar: Computer Graphics Principles and Practice, s. 8, 432–433, 930. Third Edition. Addison-Wesley, 2014. ISBN 978-0-321-39952-6. (englanniksi)
  2. Akenine-Möller, Tomas & Haines, Eric & Hoffman, Naty: Real-Time Rendering, s. 29–35, 41. Third Edition. CRC Press, 2008. ISBN 978-1-56881-424-7. (englanniksi)
  3. Robert L. Cook: Shade Trees (PDF) citeseerx.ist.psu.edu. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  4. Common-Shader Core Microsoft. Viitattu 26.1.2017.
  5. Vertex Shaders nvidia.com. Viitattu 7.10.2022. (englanniksi)
  6. Pixel Shaders nvidia.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  7. Fragment Shader Khronos Group. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  8. Geometry Shader Stage learn.microsoft.com. 24.5.2021. Viitattu 7.10.2022. (englanniksi)
  9. Geometry Shader Khronos Group. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  10. Tessellation Khronos Group. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  11. Tessellation Stages docs.microsoft.com. 31.5.2018. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  12. PlayStation Shading Language for PS4 gdcvault.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  13. The curtain comes up on AMD’s Vega architecture techreport.com. 5.1.2017. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  14. Introduction to Turing Mesh Shaders developer.nvidia.com. 17.9.2018. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  15. Christoph Kubisch: Mesh Shading for Vulkan khronos.org. 1.9.2022. Viitattu 7.10.2022. (englanniksi)
  16. Compute Shader Khronos Group. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  17. Compute shaders docs.unity3d.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  18. https://arm-software.github.io/vulkan-sdk/basic_compute.html
  19. Akeley, Feiner, Foley, Hughes, Van Dam, McGuire, Sklar: Computer Graphics Principles and Practice, s. 1142. Third Edition. Addison-Wesley, 2014. ISBN 978-0-321-39952-6. (englanniksi)
  20. Cg Toolkit developer.nvidia.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  21. Metal Shading Language Specification (PDF) developer.apple.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.