Shader

Shader – krótki program komputerowy, często napisany w specjalnym języku (shader language), który w grafice trójwymiarowej opisuje właściwości pikseli oraz wierzchołków. Technologia ta zastąpiła stosowaną wcześniej jednostkę T&L.

Cieniowanie pozwala na znacznie bardziej skomplikowane modelowanie oświetlenia i materiału na obiekcie niż standardowe modele oświetlenia i teksturowanie. Jest jednak dużo bardziej wymagające obliczeniowo i dlatego dopiero od kilku lat sprzętowa obsługa cieniowania jest obecna w kartach graficznych dla komputerów domowych. Wcześniej cieniowanie stosowane było w niektórych fotorealistycznych rendererach (np. Renderman), gdzie grafika nie jest generowana w czasie rzeczywistym.

W stosunku do standardowych modeli oświetlenia, stosowanych do generowania grafiki w czasie rzeczywistym, cieniowanie umożliwia uwzględnienie między innymi:

• refrakcji,
• odbić lustrzanych,
• oświetlenia HDR,
• mapy przemieszczeń (displacement maps),
• innych efektów takich jak rozmycie obrazu, zaszumienie, zmiana kolorów, itp.

Rodzaje cieniowania

Obecnie, z uwagi na wymagania bibliotek DirectX w wersji 10, zniknął podział panujący dotychczas na Pixel i Vertex Shader. Obliczenia, jakimi te odrębne jednostki się zajmowały, są teraz wykonywane przez jednolite jednostki obliczeniowe, które są dynamicznie przydzielane do takiego typu obliczeń, jaki jest aktualnie potrzebny. Rozwiązanie takie zostało nazwane przez ATI Stream Processors a przez nVidię Unified Shaders.

Biblioteki graficzne Direct3D i OpenGL używają trzech typów cieniowania:

Vertex Shader

Cieniowanie wierzchołkowe – uruchamiane jest raz dla poszczególnych przetwarzanych wierzchołków. Jego zadaniem jest transformacja położenia wierzchołka w wirtualnej przestrzeni 3D na współrzędne 2D na ekranie. Cieniowanie wierzchołkowe może operować na takich własnościach wierzchołków jak położenie, kolor i współrzędne tekstur, ale nie może tworzyć nowych wierzchołków. Wyjście cieniowania wierzchołkowego jest wejściem dla następnego etapu w potoku, jakim jest albo cieniowanie geometryczne (jeśli jest obecne) albo rasteryzator.

Geometry Shader

Cieniowanie geometryczne – pozwala na dodawanie lub usuwanie wierzchołków z siatki wierzchołków (ang. mesh). Może być używane do proceduralnego tworzenia obiektów geometrycznych albo do dodawania objętościowych detali istniejących siatek wierzchołków. Te operacje mogłyby być zbyt kosztowne obliczeniowo dla CPU. Direct3D 10 i OpenGL 3.1 mają już zawarte wsparcie dla tego typu cieniowania. Jeśli cieniowanie geometryczne jest używane, to wtedy wyjście z niego jest przekazywane do rasteryzatora.

Pixel Shader lub Fragment Shader

Cieniowanie pikseli – jest jednostką odpowiadającą za wyliczanie koloru pikseli. Direct3D używa terminu "pixel shader", a OpenGL – "fragment shader". Piksele na wejście ich cieniowania są pobierane z rasteryzatora, który wypełnia wielokąty przesyłane z potoku graficznego. Cieniowanie pikseli jest najczęściej używane do oświetlenia sceny i innych powiązanych efektów, np. Bump-mappingu lub kolorowania.

Poniższa tabela pokazuje, jak wersje jednostek cieniowania odpowiadają poszczególnym wersjom DirectX.

Wersja DirectX	Pixel Shader	Vertex Shader
8.0	1.0, 1.1	1.0
8.1	1.2, 1.3, 1.4	1.1
9.0	2.0	2.0
9.0a	2_A, 2_B	2.x
9.0c	3.0	3.0
10.0	4.0	4.0
10.1	4.1	4.1
11	5.0	5.0
12	5.1	5.1

Przetwarzanie równoległe

Cieniowanie jest wykorzystywane do zaaplikowania przekształceń na dużym zbiorze elementów jednocześnie, np. na każdym pikselu ekranu albo dla każdego wierzchołka modelu. Oznacza to przetwarzanie równoległe. Najnowsze GPU mają architekturę wielordzeniową, specjalnie dostosowaną do tego rodzaju przetwarzania. Jest zatem możliwe używanie GPU nie tylko do obliczeń graficznych, ale także do obliczeń ogólnych (naukowych, inżynierskich, itd.). Przykładowymi środowiskami programistycznymi do takich ogólnych obliczeń są: CUDA, BrookGPU i OpenCL.

Języki cieniowania

Współczesne języki cieniowania:

• RSL - RenderMan Shading Language (fragment standardu RiSpec)
• VEX - Vector Expression (bliski językowi RSL, język renderera Side Effects Mantra)
• GLSL – OpenGL Shading Language (fragment standardu OpenGL)
• HLSL – High Level Shading Language (język cieniowania biblioteki DirectX)
• Cg – C for graphics (opracowany przez firmę nVidia)
• OSL - Open Shading Language (standard opracowany przez firmę Sony Pictures Imageworks na licencji BSD).

Linki zewnętrzne

• Publikacja nVidii o CUDA, środowisku programistycznym i kompilatorze języka programowania do pisania aplikacji uruchamianych na jednostkach shaderowych w kartach graficznych (ang.)