Что такое шейдеры в играх

Что такое шейдеры в играх

«Что такое шейдеры?» — очень частый вопрос любопытных игроков и начинающих игровых разработчиков. В этой статье доходчиво и понятно об этих страшных шейдерах расскажу.

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.

Что такое шейдеры? Например, вот такой эффект можно получить, это шейдер воды примененный к сфере.

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.

Читайте также:  Блок от айфона оригинал

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.

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 ЦП.

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.).

Читайте также:  Как записывать разговоры на андроид скрытно

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.

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.
Читайте также:  Индукция для бесконечно длинного проводника

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 nVidia совместно с фирмой Microsoft. Язык похож на язык C и на язык HLSL, разработанный фирмой Microsoft и входящий в состав 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.

Ше́йдер (англ. Shader) — это программа для одной из ступеней графического конвейера, используемая в трёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения. Она может включать в себя произвольной сложности описание поглощения и рассеяния света, наложения текстуры, отражение и преломление, затенение, смещение поверхности и эффекты пост-обработки.

Программируемые шейдеры гибки и эффективны. Сложные с виду поверхности могут быть визуализированы при помощи простых геометрических форм. Например, шейдеры могут быть использованы для рисования поверхности из трёхмерной керамической плитки на абсолютно плоской поверхности.

Ссылка на основную публикацию
Что такое django python
Django Тип каркас веб-приложений Автор РазработчикDjango Software FoundationНаписана наPython[2]Интерфейсвеб-интерфейсОперационная системакроссплатформенностьПервый выпуск2005[1]Последняя версия 3.0.4 ( 4 марта2020 ) [3] Лицензиямодифицированная лицензия...
Чем чистить датчик абсолютного давления
ВСЁ СВОИМИ РУКАМИ 12.06.2018 . . После покупки Шевроле Лачетти оказалось, что эта первая моя машина, на которой был установлен...
Чем хорош увлажнитель воздуха отзывы
у нас на работе стоял, попеременно двигали каждый к себе поближе, ибо да, с ним как-то лучше, мне лично глазам...
Что такое hangouts и для чего
Хэкгаутс что это за программа на телефоне Добрый день, друзья. Для смартфонов на разных платформах существуют тысячи программ. Сейчас мы...
Adblock detector