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着色器

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着色器的常见应用是为三维模型生成光照和阴影。

计算机图形学领域中,着色器(英語:shader)是一种计算机程序,原本用于进行图像的浓淡处理(计算图像中的光照亮度颜色等),但近来,它也被用于完成很多不同领域的工作,比如处理CG特效、进行与浓淡处理无关的影片后期处理英语video post-processing、甚至用于一些与计算机图形学无关的其它领域。[1]

使用着色器在图形硬件上计算渲染效果有很高的自由度。尽管不是硬性要求,但目前大多数着色器是针对GPU开发的。GPU的可编程绘图管线已经全面取代传统的固定管线,可以使用着色器语言对其编程。构成最终图像的像素顶点纹理,它们的位置、色相、饱和度、亮度、对比度也都可以利用着色器中定义的算法进行动态调整。调用着色器的外部程序,也可以利用它向着色器提供的外部变量、纹理来修改这些着色器中的参数。

电影后期处理、计算机成像电子游戏等领域,着色器常被用来制作各种特效。除了普通的光照模型,着色器还可以调整图像的色相饱和度亮度对比度,生成模糊高光、有体积光源、失焦、卡通渲染色調分離畸变凹凸贴图色键(即所谓的蓝幕、绿幕抠像效果)、边缘检测等效果。

历史[编辑]

1988年5月,Pixar公布了第三版RenderMan规范,将「着色器」的使用推广到了我们目前所知的各大应用领域。[2]

随着图形处理器的进步,OpenGLDirect3D等主要的图形软件库都开始支持着色器。第一批支持着色器的 GPU 仅支持像素着色器,但随着开发者逐渐认识到着色器的强大,很快便出现了顶点着色器。2000年,第一款支持可编程像素着色器的显卡 Nvidia GeForce 3(NV20)问世。Direct3D 10 和 OpenGL 3.2 则引入了几何着色器。

目前,图形硬件正在朝统一着色器模型英语Unified shader model发展。

设计[编辑]

着色器是描述顶点或像素特征的简单程序。顶点着色器描述顶点的属性(位置、纹理坐标、颜色等),而像素着色器描述像素的特征(颜色、z深度和alpha值)。

基本图形管线如下所示:

  • 中央处理器(CPU)发送指令(已编译的着色器程序)和几何数据到位于显卡内的图形处理器(GPU)。
  • 顶点着色器执行几何变换。
  • 若几何着色器位于图形处理器内并已激活,它便会修改一些场景中的几何结构。
  • 若细分着色器位于图形处理器内并已激活,场景中的几何结构会被细分。
  • 计算后的几何结构被三角化(分割为三角形)。
  • 三角形被分解为2 × 2的像素块。
  • 像素块通过片段着色器被修改。
  • 进行深度测试;通过的片段将被写入屏幕,并可能被混合到帧缓冲区中。

种类[编辑]

常用的着色器有三种。比较老的显卡倾向于使用不同的处理单元处理不同类型的着色器,但新出的显卡通常都支持统一着色器模型英语Unified shader model,可以执行任意类型的着色器、更好地发挥显卡的处理能力。[3]

二维着色器[编辑]

二维着色器处理的是数字图像,也叫纹理,着色器可以修改它们的像素。二维着色器也可以参与三维图形的渲染。目前只有「像素着色器」一种二维着色器。

像素着色器[编辑]

像素着色器(英語:pixel shader)也叫片段着色器(英語:fragment shader),用于计算「片段」的颜色和其它属性,此处的「片段」通常是指单独的像素。最简单的像素着色器只有输出颜色值;复杂的像素着色器可以有多个输入输出[4]。像素着色器既可以永远输出同一个颜色,也可以考虑光照、做凹凸贴图、生成阴影高光,还可以实现半透明等效果。像素着色器还可以修改片段的深度,也可以为多个渲染目标输出多个颜色。

三维图形学中,单独一个像素着色器并不能实现非常复杂的效果,因为它只能处理单独的像素,没有场景中其它几何体的信息。不过,像素着色器有屏幕坐标信息,如果将屏幕上的内容作为纹理传入,它就可以对当前像素附近的像素进行采样。利用这种方法,可以实现大量二维后期特效,例如模糊和边缘检测

像素着色器还可以处理管线中间过程中的任何二维图像,包括精灵纹理。因此,如果需要在栅格化后进行后期处理,像素着色器是唯一选择。

三维着色器[编辑]

三维着色器处理的是三维模型或者其它几何体,可以访问用来绘制模型的颜色和纹理。顶点着色器是最早的三维着色器;几何着色器可以在着色器中生成新的顶点;细分曲面着色器(英語:tessellation shader)则可以向一组顶点中添加细节。

顶点着色器[编辑]

顶点着色器是最常见的一种 3D 着色器,对每个交给图形处理器的顶点都运行一次。目的是将每个顶点在虚拟空间中的 3D 坐标变换到在屏幕上显示的 2D 坐标(深度缓冲(Z-Buffer)的深度值也是如此)。顶点着色器可以掌控顶点的位置、颜色和纹理坐标等属性,但无法生成新的顶点。顶点着色器的输出传递到流水线的下一步。如果有之后定义了几何着色器,则几何着色器会处理顶点着色器的输出数据,否则,光栅化器继续流水线任务。

几何着色器[编辑]

几何着色器在 OpenGL 3.2 和 Direct3D 10 中被引入, 以前可在带扩展的 OpenGL 2.0+ 中使用。改类型的着色器可以生成新的图形基元,比如点,线和三角形。几何着色器可以从多边形网格中增删顶点。它能够执行对 CPU 来说过于繁重的生成几何结构和增加模型细节的工作。Direct3D 10 增加了支持几何着色器的API,成为 Shader Model 4.0 的组成部分。OpenGL 只可通过它的一个插件来使用几何着色器,但极有可能在3.1版本中该功能将会归并。几何着色器的输出连接光栅化器的输入。

曲面细分着色器[编辑]

曲面细分着色器作為一類新的著色器,在 OpenGL 4.0 和 Direct3D 11 中被引入,並在著色器的模型增加了兩個階段:曲面細分控制著色器(或外殼著色器)和曲面細分評估著色器(或域著色器)。這允許了較簡單的網格藉由特定函式計算,實時被細分成更細膩的網格。這個函示可以與多種變數相關,包含與視點的距離,因此可以主動調整細節層次,使較接近相機的物體有著較多細節。藉由在著色器單元中才加上細節,這還可以大幅降低網格所需的頻寬,也不需要降採樣記憶體中的網格。有些計算方式可以上採樣任意的網格,有些則允許「提示」網格所要凸顯的頂點和邊緣。

图元和网格着色器[编辑]

大约 2017 年, 图元着色器做为新的着色器阶段被 AMD Vega 微体系结构所支持。类似可以访问必要数据的计算着色器来处理几何体。

光线追踪着色器[编辑]

光线追踪着色器被微软的 DirectX 光线追踪,Khronos Group 的 Vulkan,GLSL 和 SPIR-V,苹果的 Metal 所支持。

计算着色器[编辑]

计算着色器并不仅限于图形应用程序,还有使用相同的通用图形处理单元执行资源的程序。它们可能在图形管线中被使用,比如额外的动画阶段或光照算法。 一些渲染 API 允许计算着色器轻松的与图形管线共享数据资源。

并行处理[编辑]

着色器被用来同时处理大量的数据,比如屏幕上的一整块像素群,或者一个模型结构的所有顶点并行计算适用于这样的情况,而且当今的GPU也设计有多核结构来极大的提高处理效率。

编程[编辑]

用于编写着色器的编程语言取决于目标环境。官方的OpenGL和OpenGL ES着色语言是OpenGL着色语言,也称为GLSL,官方的Direct3D着色语言是高级着色器语言,也称为HLSL。Cg是英伟达开发的第三方着色语言,可输出OpenGL和Direct3D着色器;然而,自2012年以来,它一直被弃用。苹果发布了自己的着色语言,称为Metal着色语言,作为Metal框架的一部分。

GUI 着色器编辑器[编辑]

现代电子游戏开发平台,如 UnityUnreal EngineGodot 越来越多的包含了基于节点的编辑器,允许创建着色器而无需编写实际的代码。向用户展现了包含相互连接的节点的有向图,允许用户将各种各样的纹理,映射和数学函数直接导向输出值,如漫反射颜色,高亮和强度,金属度/粗糙度,高度,法向量等。自动将这些图编译为实际的已编译的着色器。

另见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Best Practices Memo. Cra.org. [2014-05-01]. (原始内容存档于2014-05-02). 
  2. ^ The RenderMan Interface Specification. (原始内容存档于2019-06-16). 
  3. ^ Pipeline Stages (Direct3D 10) (Windows). msdn.microsoft.com. [2021-09-15]. (原始内容存档于2010-05-21). 
  4. ^ 存档副本. [2018-06-25]. (原始内容存档于2021-04-24). 

拓展阅读[编辑]

外部链接[编辑]