Программа шейдер что это

Введение в шейдеры

шейдер Программа, работающая на графическом процессоре. Подробнее
См. в Словарь Программа, обычно называемая шейдером, представляет собой программу, работает на графическом процессоре.

Типы шейдеров

В Unity шейдеры делятся на три большие категории. Вы используете каждую категорию для разных целей и работаете с ними по-разному.

• Шейдеры, являющиеся частью графического конвейера, являются наиболее распространенным типом шейдеров. Они выполняют вычисления, определяющие цвет пикселей наименьших единиц компьютерного изображения. Размер пикселя зависит от разрешения вашего экрана. Пиксельное освещение рассчитывается для каждого пикселя экрана. Подробнее
  См. Словарь на экране. В Unity вы обычно работаете с этим типом шейдера, используя объекты шейдера.
• Вычислительные шейдеры выполняют вычисления на графическом процессоре вне обычного графического конвейера.
• Трассировка лучей Процесс создания изображения путем трассировки лучей от камеры через каждый пиксель и записи вклада цвета в точку попадания. . Это альтернатива растеризации. трассировка лучей
  См. в Словарь , шейдеры выполняют вычисления, связанные с трассировкой лучей.

Терминология

Терминология, связанная с шейдерами, может сбивать с толку; люди обычно используют слово «шейдер» для обозначения разных вещей.

В этой документации используется следующая терминология:

• шейдер или шейдерная программа — программа, работающая на графическом процессоре. Если не указано иное, это означает шейдерные программы, которые являются частью графического конвейера.
• Объект Shader — экземпляр класса Shader . Объект Shader — это оболочка для шейдерных программ и другой информации.
• ShaderLab Язык Unity для определения структуры объектов Shader. Подробнее
  См. в Словарь – специальном языке Unity для написания шейдеров. .
• Shader Graph — инструмент для создания шейдеров без написания кода.
• шейдерный ресурс — файл с расширением .shader в вашем проекте Unity. Он определяет объект Shader.
• Ресурс Shader Graph — файл в вашем проекте Unity. Он определяет объект Shader.

Источник: unityhub.ru

Что такое шейдеры простыми словами?

В рамках данной статьи, я расскажу вам простыми словами что такое шейдеры, а так же зачем они нужны.

Требования к качеству компьютерной графики растут от дня к дню. Раньше 2D-графика считалась вполне достаточной и ее хватало, чтобы поражать воображение миллионов людей. В нынешнее же время, визуализации уделяется существенно больше внимания.

Однако, в периоды становления нынешней 3D-графики, многие столкнулись с той проблемой, что встроенных фильтров и примочек видеокарт (GPU) попросту не хватает. К примеру, нередко возникала необходимость в собственных эффектах. Поэтому многое приходилось делать вручную и проводить расчеты в основном процессоре компьютера (CPU), что несомненно отражалось на производительности (при том, что видюха, как говорится, «простаивала» без дела).

Так что, со временем появились различные технологии, такие как шейдеры, позволяющие использовать мощности GPU для специфических нужд.

Что такое шейдеры и зачем они нужны?

Шейдер — компьютерная программа (код), который можно запускать в процессорах видеокарты, не тратя без необходимости мощности центрального процессора. При чем из этих шейдеров можно выстраивать конвейеры (их последовательное применение). То есть, один и тот же шейдер можно применять к различного рода графическим объектам, что существенно упрощает процесс создания анимации.

Изначально, видеокарты подразумевали три типа — вершинный (для эффектов отдельно взятых вершин; например, для создания эффекта волн, отрисовка травы и прочее), геометрический (для небольших примитивов; например, для создания силуэтов) и пиксельный (для фильтров определенной области изображения; например, туман). И, соответственно, было три типа специализированных процессоров в плате. Позже же от подобного деления отказались и все процессоры видеокарт стали универсальными (поддерживают все три типа).

Снижение общей нагрузки центрального процессора это не все предназначение возможности создания собственных шейдеров. Стоит понимать, что немало игр и видео повторно используют одни и те же возможности. К примеру, зачем в десятках однотипных анимационных программах с нуля писать, например, эффекты для воды, если можно воспользоваться готовыми библиотеками, такими как OpenGL или же DirectX? Последние содержат в себе уже немало реализованных шейдеров и предоставляют более удобный метод написания собственных (не нужно писать низкоуровневые команды для GPU).

То есть, если раньше, чтобы создать самую простую анимацию или игру, нужно было обладать существенными познаниями, то в сегодняшних реалиях это задача посильная многим.

В чем польза подхода с шейдерами?

С шейдерами есть некая неразбериха, так как существуют различные стандарты языков программирования под разные библиотеки (GLSL — OpenGL, HLSL — DirectX и так далее), и это не считая того, что сами производители видеокарт могут поддерживать различные возможности. Однако, плюс их использования легко можно оценить, взглянув на картинку выше с примером разницы отображения между DirectX 9 и DirectX 10.

Таким образом, если вы используете шейдеры известной библиотеки, то достаточно выхода следующей версии, чтобы качество повысилось само собой. Конечно, тут есть нюансы, такие как совместимость, поддержка появившихся специализированных команд и прочее, но все же.

Кроме графики, подход с шейдерами полезен обычным пользователям следующими вещами:

1. Повышается скорость и производительность компьютера (ведь центральному процессору нет необходимости производить расчет графики вместо GPU).

2. Компьютерные игры и мультанимации стали выходить чаще, так как процесс их выпуска стал существенно проще по ряду причин. Есть готовые движки и библиотеки, соответственно, требования к знаниям и объему кода снизились. Анимационные эффекты стало возможно переносить от одного творения к другому без особых сложностей (к примеру, расширения к готовым движкам). Сам подход более унифицирован. И прочие.

Теперь, вы знаете что такое шейдеры, зачем они нужны и какая от них польза.

☕ Понравился обзор? Поделитесь с друзьями!

Источник: ida-freewares.ru

Что такое шейдеры? Просто о сложном для начинающих

Двигателем прогресса в сторону фотореалистичности картинки в компьютерной графике я считаю именно компьютерные игры, поэтому давайте именно в разрезе видео-игр и поговорим о том, что такое “шейдеры”.

До того, как появились первые графические ускорители, всю работу по отрисовке кадров видеоигры выполнял бедняга центральный процессор.

Отрисовка кадра, довольно рутинная работа на самом деле: нужно взять “геометрию” – полигональные модели (мир, персонаж, оружие и т.д.) и растеризовать. Что такое растеризовать? Вся 3d модель состоит из мельчайших треугольников, которые растеризатор превращает в пиксели (то есть “растеризовать” значит превратить в пиксели). После растеризации взять текстурные данные, параметры освещенности, тумана и тп и рассчитать каждый результирующий пиксель игрового кадра, который будет выведен на экран игроку.

Так вот, центральный процессор (CPU – Central Processing Unit) слишком умный парень, чтобы заставлять его заниматься такой рутиной. Вместо этого логично выделить какой-то аппаратный модуль, который разгрузит CPU, чтобы тот смог заниматься более важным интеллектуальным трудом.

Таким аппаратным модулем стал – графический ускоритель или видеокарта (GPU – Graphics Processing Unit). Теперь CPU подготавливает данные и загружает рутинной работой коллегу. Учитывая, что GPU сейчас это не просто один коллега, это толпа миньонов-ядер, то он с такой работой справляется на раз.

Но мы пока не получили ответа на главный вопрос: Что такое шейдеры? Подождите, я подвожу к этому.

Хорошая, интересная и близкая к фото-реализму графика, требовала от разработчиков видеокарт реализовывать многие алгоритмы на аппаратном уровне. Тени, свет, блики и так далее. Такой подход – с реализацией алгоритмов аппаратно называется “Фиксированный пайплайн или конвейер” и там где требуется качественная графика он теперь не встречается. Его место занял “Программируемый пайплайн”.

Запросы игроков “давайте, завозите хороший графоний! удивляйте!”, толкали разработчиков игр (и производителей видеокарт соответственно) все к более и более сложным алгоритмам. Пока в какой-то момент зашитых аппаратных алгоритмов им стало слишком мало.

Наступило время видеокартам стать более интеллектуальными. Было принято решение позволить разработчикам программировать блоки графического процессора в произвольные конвейеры, реализующие разные алгоритмы. То есть разработчики игр, графические программисты отныне смогли писать программы для видеокарточек.

И вот, наконец, мы дошли до ответа на наш главный вопрос.

“Что такое шейдеры?”

Ше́йдер (англ. shader — затеняющая программа) — это программа для видеокарточки, которая используется в трёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения, может включать в себя описание поглощения и рассеяния света, наложения текстуры, отражения и преломление, затенение, смещение поверхности и множество других параметров.

Графический пайплайн

Преимущество программируемого конвейера перед его предшественником в том, что теперь программистам можно создавать свои алгоритмы самостоятельно, а не пользоваться зашитым аппаратно набором опций.

Сначала видеокарты оснастили несколькими специализированными процессорами, поддерживающими разные наборы инструкций. Шейдеры делили на три типа в зависимости от того, какой процессор будет их исполнять. Но затем видеокарты стали оснащать универсальными процессорами, поддерживающими наборы инструкций всех трёх типов шейдеров. Деление шейдеров на типы сохранилось для описания назначения шейдера.

Помимо графических задач с такими интеллектуальными видеокартами появилась возможность выполнения на GPU вычислений общего назначения (не связанных с компьютерной графикой).

Впервые полноценная поддержка шейдеров появилась в видеокартах серии GeForce 3, но зачатки были реализованы ещё в GeForce256 (в виде Register Combiners).

Виды шейдеров

В зависимости от стадии конвейера шейдеры делятся на несколько типов: вершинный, фрагментный (пиксельный) и геометрический. А в новейших типах конвейеров есть еще шейдеры тесселяции. Подробно обсуждать графический конвейер мы не будем, я все думаю не написать ли об этом отдельную статью, для тех кто решит заняться изучением шейдеров и программирования графики. Напишите в комментариях если Вам интересно, я буду знать, стоит ли тратить время.

Вершинный шейдер

Вершинными шейдерами делают анимации персонажей, травы, деревьев, создают волны на воде и многие другие штуки. В вершинном шейдере программисту доступны данные, связанные с вершинами например: координаты вершины в пространстве, её текстурные координатами, её цвет и вектор нормали.

Геометрический шейдер

Геометрические шейдеры способны создавать новую геометрию, и могут использоваться для создания частиц, изменения детализации модели «на лету», создание силуэтов и т.п. В отличие от предыдущего вершинного, способны 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.

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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

Пишет статьи о разработке игр. Не инди, — работает рендеринг-программистом в крупной ААА студии в Санкт-Петербурге. Большой поклонник игр Naughty Dog.

Источник: coremission.net

Шейдеры. Или почему мир игр стал визуально так похож на наш!

Всем привет! Так как я поставила себе цель когда-нибудь выпустить блог о том, какие технологии улучшения трехмерной графики применяются в топовых играх в последнее время, то я решила сначала разобраться в том, как за последнее время плотного использования трехмерной графики в видеоиграх она вообще достигла таких высот. Или проще говоря засчет чего это происходит, что отвечает за детализацию изображений, которое мы видим на своих экранах, запуская очередную любимую игру.

Всем нам нравится, когда в играх реалистичные пейзажи: красиво переливающиеся блики солнца на водной глади, движения каждого листочка на ветке во время ветра, волосы персонажей выглядят лучше, чем у тебя и много другое. В общем все, что нас так притягивает в современных играх не взялось из неоткуда(ежу понятно). Так кто же «виновник торжества»

Может кто-то уже и догадался по названию поста(глупый вопрос, конечно, там ж написано), речь пойдет о шейдерах. Что это, для чего и почему. Постараюсь разложить все по полочкам. Начнем:)

Что вообще такое эти самые шейдеры. Шейдеры — это программки, которые исполняются на видеокарте и описывают эффекты, методы обработки и прорисовки графики. Изначально GPU преимущественно обрабатывали 2D графику. В это время появляются так называемые акселераторы(ускорители).

Они берут на себя часть операций, связанную с обработкой графических данных, сами прорисовывают каждый пиксель и определяю его цвет. Все это использовали видеокарты NVIDIA Riva128 и 3Dfx Voodoo. Эти карты брадли на себя только такие задачи как текстурирование и закраску, все остальное выполнял СPU. Естественно картинка была соответствующей. Подумайте сами, процессор и так загружен другими системными задачами, а тут еще ему и графические данные прорисовывать приходится, которые, по сравнению с арифметическими расчетами, просто звери.

Но в те времена этого было достаточно конечному пользователю. Далее начали применяться графические библиотеки такие как Open Gl, Direct 3d. Они снимали с CPU значительную часть нагрузки и брали на себя. Теперь видеокарта строила сцену с нуля. Производителям видеоигр в те времена такое решение было удобно.

Все применяемые в тех играх эффекты были уже аппаратно встроены в видеокарты. Их было достаточно для игр того поколения. Но ничего не стоит на месте, разработчики видеоигр стремились вырваться вперед по сравнению с конкурентами и появилась потребность как-то улучшать имеющиеся эффекты 3D графики.

Тогда то и появилась проблема — для того, чтоб апгрейдить какой-то эффект, разработчикам видеоигр приходилось подождать годик, чтоб вышла видеокарта, поддерживающая данный эффект. Что было и дорого и длительно по времени. Тогда — то и появились шейдеры. Так началась новая эра развития трехмерной графики в игровой индустрии.

Теперь пробежимся коротенько по видам шейдера дабы лучше понять их применение.
Вершинные шейдеры. Из назавания понятно, что они оперируют с вершинами(координаты вершин, текстурные координаты) Сопоставляют координаты вершин объекта и координаты вершин текстуры. Следовательно, они отвечают за любое трансформирование картинки. Например, колышащиеся деревья и трава на ветру, лицевая анимация и динамично перемещающийся свет.

Пиксельные шейдеры или геометрические. В отличие от вершинных, геометрические шейдеры оперируют на уровне примитивов. Проще говоря, они делят изображение на примитивы(точки, отрезки, треугольники) и работают с каждым в отдельности. Сглаживают, освещают, анимируют, добавляют эффекты HDR и Motion Blur.

Главное назначение пиксельных шейдеров заключается в комплексном смешивании текстур, просчете освещенности и оптических свойств моделей, постобработке кадра. В общем, почти все, что мы видим в современных играх, — плод трудов пиксельных шейдеров!

Естественно, как вы навреное уже поняли, шейдеры пишутся игровыми программистами. С развитием трехмерной графики, написание шейдеров усложняется. Раньше они вообще состояли из небольшого куска кода на ассемблероподобном языке, а сейчас же существует несколько шейдерных языков, которые ориентированые на достижение максимального качества визуализации.

Ни одна современня игра не обходится без шейдеров, если вы видите потрясную картинку с ослепительным эффектом, то знайте, это все работа шейдеров. Без них мы бы до сих пор играли в игры типо первых Quake, Doom, Unreal. Так же необходимо отметить, что современные игры сочетают в себе много шейдеров одновременно, которые выполняются параллельно вашей видеокартой.

Однако, но хоть шейдеры — это программы, их количество напрямую связано с качеством вашей видеокарты. Их количество настроено изначально на заводе-производителе и самому изменить это параметр невозможно. Хотя, обладателям консолей не стоит этого бояться т.к игры изначально оптимизируют под консоли и она в любом случае пойдет на приемлемом качестве.

И как раз из-за шейдеров обладателям ПК приходится сверять системные характеристики и постоянно увеличивать мощность своего компьютера. Так же нужно помнить, что всего хорошего должно быть в меру. Программист, который разрабатывает шейдеры должен четко понимать что, где и как шейдер должен делать. Иначе получится полная ж… иными словами переизбыток шейдеров ничего хорошего не сулит!

И под конец хочу сказать, что без шейдеров не было бы ничего из того, что мы сейчас имеем. Шейдеры — это мощное средство для реализации достижений сложной трехмерной графики. Чем сложнее эффекты, тем прокаченней и больше по количеству нужно шейдеров. И… у меня плохо с заключением… и если вы еще до сих пор не поняли что такое шейдеры, то сходите съешьте шоколадку и прочитайте этот пост еще раз:) Спасибо за прочтение!

Эй-эй, это между прочим пример сглаживания!)

Лучшие комментарии

Начинание благое — нести просвещение в массы и рассказать народу про шейдеры.

Но по тексту есть множество принципиальных ошибок и неточностей, которые вводят читателя в заблуждение.

Перечислять их все не буду — это на отдельный пост по размеру выльется.
Скажу лишь, что в статье 50% текста — чистая правда, доступно преподнесённая для рядового геймера. А другие 50% — какая-то бессмыслица, которая не имеет ничего общего с действительностью. Всё-таки видно, что автор сама недостаточно погрузилась в тему.

Open Gl, Direct 3d. Они снимали с CPU значительную часть нагрузки и брали на себя.

не «брали на себя», а «перекладывали на видеокарту, предоставляя для этого разрабам какой-никакой API (типа особого синтаксиса, в общем)».

Теперь видеокарта строила сцену с нуля.

Не с нуля. Проц всё равно гонит в видюху некоторые входные данные.

Поверхность без шейдеров
С шейдарами

Поверхность не может быть «без шейдеров». Её жу в любом случае что-то должно отрисовать. Просто они могут быть так называемыми «fixed-function» или «programmable» шейдерами. В первом случае у разраба есть лишь выбор из некоторых алгоритмов смешения цветов, которые аппаратно зашиты в видюху (как раз то, о чём говорит автор словами «все эффекты были встроены»). А во втором случае — разраб сам пишет любой алгоритм отрисовки, пользуясь уже арсеналом простых арифметических операций и некоторым набором высокоуровневых функций.
И — да — на скриншотах юнити. И, судя по внешнему виду, сравниваются стандартные шейдеры Diffuse и Bumped diffuse. В обоих случаях — это полноценные «programmable» шейдеры, а не fixed-function. Просто один попроще, другой посложнее.

Про виды шейдеров — простите, без обид — вообще ахинея.
В современном графическом пайплайне имеются следующие:
Вертексный
Тесселяционный, hull и domain (эта троица идёт вместе)
Геометрический
пиксельный (именуемый также фрагментным)

Обязательны только первый и последний (vertex + pixel aka fragment), остальные — опциональны и поддерживаются только в последних версиях DX и OGL.
И, да, пиксельный шейдер — не равно геометрический. Вообще ни разу.
Геометрический позволяет плодить новую геометрию прямо в видюхе. Фрагментный — работает попиксельно, вычисляя уже итоговую картинку (цвета писелей на экране).

Про HDR и Motion blur тут вообще ни к месту. Вникать не буду.

Однако, но хоть шейдеры — это программы, их количество напрямую связано с качеством вашей видеокарты.

Мысль правильная, формулировка — нет. В зависимости от шейдерной модели (DX9 — шейдерные модели с 1.0 по 3.0; DX10 — 4.0, DX11 — 5.0) есть ряд ограничений. На количество инструкций в шейдере, например. И на поддержку этих инструкций в разных шейдеров (например, чтение текстуры в вертексном шейдере — только в ). Кроме того, есть «мягкий лимит» на количество вертексов в сцене.

Он ни в каких ограничениях не прописан, но определяется размером памяти в видюхе. И у старых видюх она, естественно, была меньше — так что и геометрии можно было меньше запихнуть.
Кроме того, есть т.н. draw-call’ы. И это отдельная песня
Но такого лимита, как «количество шейдеров в сцене» — его нет.

В целом же — повторюсь, начинание благое. И желание самостоятельно вникнуть в эти дебри — определённо, похвальное. Для человека, который не занимается шейдерным программированием — это титанический труд, поверьте. И он однозначно заслуживает уважения.

Но — сами понимаете — я не мог не обратить внимания на явные и существенные ошибки.

Красносельский подкат к женщинам — самый подкат из всех подкатов. :3

А по поводу позитиватора- можешь еще выложить пример развития игровых сисек до нашего времени и рядом свои для примера- куда нужно стремиться?)

Пост ориентирован на тех, кто совсем в этом не разбирается. Типа меня. Мне было интереснО, плюс 🙂 Но для тех, кто хоть немного этим интересовался — ничего нового. Для будущих постов, думаю, будет неплохо учесть обе категории и наполнить пост информацией не только для чайников.

как-то у тебя винда быстро в BSOD ушла хD из-за какого-то ХЕЛОУ Ворлда, который еще и на 2 потока разошелся каким-то макаром оО 🙂

Суровые будни геймдева. Потом смотрят на все это-«И так сойдет» и заливают в ранний доступ Steam)
Вообще то у меня на работе валяется графен, он так и выглдит.
Без квадратных мух, Квейк 2 не тот.

Круть. плюс тебе. исправь это =Эти карты брадли на себя только такие задачи как текстурирование и закраску, все остальное выполнял СPU.= И удали мой комм. а то заминусят как всегда.

Откуда ты знаешь, а вдруг они у меня как на второй картинке? хDDD

НА каждый товар есть свой купец)
Я не отрицаю, что из моего примера можно так понять, но я не о таком глубоком уровне говорю

Помн в далеком 1999 купили 3Д аксселератор, так радовались лаве в квейке 2м! А еще мухи квадратные должны были отрастить крылашки 🙂

Источник: stopgame.ru

Шейдеры. Что и как

Сразу оговорюсь, что материал рассчитан на тех, кто никогда не работал с шейдерами или вообще не знаком с разработкой игр, то есть это в некотором смысле научпоп.

Слово «шейдер» в контексте разработки игр очень популярно, слышать его могли и те, кто игры не делает. Само слово изначально появилось от англ. shading (затенение) — первые шейдеры использовались, чтобы передавать глубину с помощью работы со светом, блеском, тенями и прочим. Со временем шейдеры стали использоваться для совершенно разного вида постобработки и вообще отрисовки примерно всего.

Говоря общими словами, шейдер — это просто программа для графической карты. То есть то, что пишется школьниками на паскале (хипстерами на пайтоне) — это программы для вашего центрального процессора (CPU), а шейдеры — для графического (GPU). Особенность же этих программ выходит из особенностей GPU — они работают параллельно на сотнях маленьких ядех вместо нескольких больших, преимущественно осуществляя математические операции.

GPU-ядрышки резвятся на фоне серьезного CPU

Теперь разберемся, как это все работает.

В общем случае цель шейдера — отрисовать некоторый объект. Поэтому возьмем куб, распишем процесс его отрисовки и посмотрим, где используются шейдеры и зачем. Сначала опишем сам куб. Для графической карты это 8 точек, между некоторыми из которых есть плоскость. Каждая из точек описывается тремя числами (правильно сказать, что это вершины).

Помимо этого у кубика есть цвет и положение внутри мира.

Кубик до и после графичекой карты
Процесс отрисовки

Процесс отрисовки, если его достаточно упростить (что я и сделаю в рамках этой статьи), можно поделить на несколько шагов:

1. Получение входных данных из памяти.
2. Выполнение шейдера вершин.
3. Растеризация.
4. Выполнение шейдера пикселей (фрагментов).
5. Проведение тестов «глубины».
6. Отрисовка на текстуру для экрана.

В первом шаге видеокарта каким-то образом получает данные (вершины, плоскости, текстуры) в свою видеопамять, для нас это сейчас не так важно. Далее происходит конвертация координат относительно объекта в координаты на экране относительно камеры. После происходит растеризация — высчитывается, в каких пикселях уже на экране находится объект. Такие пиксели называют фрагментами.

Отличие от пикселей заключается в том, что фрагмент помимо информации о пикселе, содержит еще и некоторую побочную информацию, полученную после растеризации. Для упрощения будем считать, что это все просто пиксели на экране. Далее для каждого пикселя выполняется шейдер фрагмента. А затем проверяется, что расстояние от камеры до фрагмента соответствует высчитанному заранее в нужном направлении в буфере глубины. Проще говоря, проверяется, нет ли перед объектом чего-либо еще, и нужно ли его отрисовывать на итоговое изображение.

Пример буфера глубины

Как видите, в процессе отрисовки можно заметить два вида шейдера. На самом деле, сейчас есть чуть больше видов, но они не столь важны для разбора, так как имеют более специфичный характер использования, а мы рассказываем на пальцах. Но вот те два, что нас волнуют:

1. Шейдер вершин.
2. Шейдер фрагментов.

Шейдер вершин

Как сказано было ранее, этот шейдер (или группа шейдеров по очереди) занимается переводом координат относительно объекта, в координаты на текстуре.

Трансформации вершин.

На картинке начало координат немного не соответствует реальным, что все так же не влияет на понимание процесса 🙂

Пройдемся по состояниям. В первом у нас, очевидно, входные координаты без излишков. На втором они были перенесены в координаты относительно начала «мира». Потом они переносятся в координаты относительно точки смотрящего (видно на второй картинке), но заметно, что картинка плоская. Их проекция происходит далее и мы получаем наши итоговые координаты.

Все эти операции производятся шейдером. Помимо прочего, он позволяет не только отобразить реальные координаты, но и модифицировать их так, чтобы исказить объект для эффекта. Например, я недавно писал шейдер, который переворачивал спрайт, чтобы отрисовать его тень:

Из занимательного — итоговые вершины располагаются на так называемой плоскости Clip Space и находятся в диапазоне от -1.0 до 1.0. Именно с такими координатами потом и работает видеокарта.

Шейдер фрагментов

После преобразований вершин и растеризации нужно высчитать цвет каждого фрагмента (помним, что для упрощения это пиксели). Для примера возьмём наш куб: мы помним, что он залит одним цветом. Просто сделаем так, чтобы цвет каждого фрагмента стал цвета куба и все:

Выглядит немного странно, да? Проблема в том, что мы не видим ни теней, ни текстур. Будь на кубе какая-либо текстура, мы бы заметили переход между гранями. Вот возьмем текстуру:

Знакомое лицо

Теперь достаточно в каждом пикселе просто брать цвет из текстуры. Но чтобы это сделать, нужно добавить для каждой точки куба еще информацию: UV канал. Это координат вида (u, v). Отсюда и название, так как x и y были заняты. Она присваивается вершине объекта и обозначает точку на текстуре, которая ей соответствует. Чтобы было понятнее, если мы хотим на каждую грань куба нарисовать знакомое нам лицо, то UV координаты для каждой грани будут выглядеть предельно просто:

Знакомое лицо (20

Модифицировать их никак не надо. Более того, считать координаты для каждой точки — тоже не нужно. Этим занимается GPU, самостоятельно интерполируя точки из вершин. Тогда достаточно просто сказать для каждой точки что-то вроде

color = texture_color(cube_texture, data.uv);

Это очень условный пример, но примерно так в простейшем случае оно и работает:

Как же он хорош

Помимо натягивания текстур в пиксельном шейдере можно, например, получить информацию об освещенности и добавить к цвету черного пропорционально затемнению в этой точке, тогда объект будет менее плоским. Это, конечно, если просчет освещенности где-то написан, потому что сама по себе видеокарта о понятиях освещения и теней мало чего знает. Вообще делать с цветами можно что угодно, например подменять их в зависимости от игрока:

Помимо UV канала в шейдер в зависимости от его вида приходят разные данные. Они зависят от игрового движка и графической библиотеки. Обычно туда входят данные о местоположении точки, нормаль (вектор исходящий от поверхности в точке), UV канал. Но также шейдер вершин может передавать данные в пиксельный шейдер. Если это координата, то она будет проинтеполирована на основе положения фрагмента относительно вершин, между которыми он находится, как, например, UV данные.

В общем-то, на этом все 🙂

Источник: dtf.ru