Что такое шейдерная модель
Шейдеры в видеокарте – что это такое: их версии и как они влияют на работу
Всем привет! Сегодня разберем, что такое шейдеры в видеокарте, что дают, как влияют на обработку графики в играх и для чего используются, какие бывают версии и как узнать шейдеры своей платы. О том, что значит OC в наименовании видеокарты NVidia или AMD, можно почитать здесь.
Немного истории
Давным-давно, когда мониторы были большими и пузатыми, а компьютеры маленькими в плане производительности, графику обрабатывал центральный процессор. Этих возможностей хватало, так как и графика была на зачаточном уровне: пиксельные схематические изображения, объекты на которых не всегда можно было узнать.
Видеоигры только зарождались, и пока никто всерьез не рассматривал компьютер как средство для развлечения. Это был рабочий инструмент для выполнения вычислений, к тому же доступный не всякому среднестатистическому американцу.
Шло время, появились первые разработки в сфере компьютерной 3D графики. Вот тут-то и стало понятно, что такую технологию моделирования объектов можно использовать для симуляции виртуальных пространств, живущих по своим законам. Да, речь идет о видео играх.
Простыми словами я рассказываю именно об играх, так как это — прикладная область, которая в полной мере позволяет реализовать 3D технологии. Следующим этапом можно считать унификацию «полномочий» различных игровых компонентов. Так, в отдельный элемент «откололся» так называемый движок — структура, которая отвечает за взаимодействие всех игровых компонентов.
Если вы увлекаетесь видеоиграми, то, конечно же, слышали такие термины как Unity, Cry Engine или Creation Engine. Узкая специализация позволяет игроделам не «изобретать велосипед» каждый раз с нуля, сосредоточившись на главном — созданием непосредственно самой игры.
Любой 3D объект состоит из так называемых полигонов, которые имеют треугольную форму. Детализация объекта будет зависеть от количества таких полигонов: чем их больше, тем четче нарисована каждая мелочь. При выводе изображения на экран полигоны нужно растеризовать, то есть перевести их из трехмерного пространства на плоский экран с сохранением пропорций.
Инженеры пришли к выводу, что это слишком рутинная задача, чтобы нагружать ею центральный процессор. В результате «эволюции» после ряда экспериментов появились видеокарты, которые мы видим сегодня: отдельный графический чип, который через специальную шину связывается с видеопамятью.
Что такое shedar
Shader переводится с английского как «оттеняющий». Это специальная программа, которая обрабатывает объекты, содержащиеся в игровом коде, и придает им окончательный вид.
По сути, это один из элементов унификации. Если совсем упростить, то разработчик игры попросту задает расположение и форму объекта, а также его текстуру. За отрисовку отвечают уже шейдеры, которые для этого и написаны.
Это еще больше упрощает создание игр: не нужно каждый раз программировать, как именно будут отображаться блики, преломление света, разряды молний и прочие красивости, делающие современные игры крайне реалистичными. Фактически, все это уже есть готовое и содержится в DLL библиотеках, которые обрабатываются шейдерами.
Виды шейдеров
Современные графические адаптеры оснащены универсальным набором шейдеров, который умеет обрабатывать любые объекты. Всего их существует 3 типа:
Все это относится к realtime графике, то есть обработке изображения в режиме реального времени (например, 60 кадров в секунду, как это бывает в играх). Для создания 3D мультфильмов используются совсем другие технологии: качество там такое, что для рендеринга видео нужны очень большие вычислительные мощности.
Как узнать какие шейдеры поддерживает моя видеокарта
Самый простой способ сделать это — установить бесплатную утилиту GPU-Z. Нужная информация отображается в поле DirectX Support. Это будет число в поле SM — например 2.0 (более старая версия) или 3.0 (пригодна для современных игр). Последние модели графических адаптеров поддерживают уже четвертую версию шейдеров.
Также при покупке графической платы обратите внимание на количество шейдеров и их частоту. Принцип прост: чем выше эти параметры, тем лучше.
Для вас будут полезны публикации «Что такое в видеокарте HDCP?» и «Что означает Dual в маркировки видеокарты и что это дает покупателю». Буду признателен, если вы поделитесь этим постом в социальных сетях. До скорой встречи!
Что такое шейдеры? Просто о сложном для начинающих
«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.
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:
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.
Шейдеры. Что и как
Расскажу, как в общем случае они работают, что умеют и как их используют
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.
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.
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.
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.
Как сказано было ранее, этот шейдер (или группа шейдеров по очереди) занимается переводом координат относительно объекта, в координаты на текстуре.
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:
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:
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:
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
Это очень условный пример, но примерно так в простейшем случае оно и работает:
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.
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!)