Язык штриховки - Shading language

А язык затенения это графика язык программирования адаптирован к программированию шейдер эффекты (характеризующие поверхности, объемы и объекты). Такие языковые формы обычно состоят из специальных типы данных, как "вектор", "матрица "," цвет "и"нормальный ". В связи с разнообразием целевых рынков для 3D компьютерная графика, разработаны различные языки штриховки.

Автономный рендеринг

Языки затенения, используемые в автономный рендеринг обеспечивают максимальное качество изображения. Свойства материала полностью абстрагированы, не требуется навыков программирования и знаний оборудования. Такие шейдеры часто разрабатываются художниками, чтобы получить правильный «вид», так же как наложение текстуры, освещение и другие аспекты их работы.

Обработка таких шейдеров требует много времени. Требуемая вычислительная мощность может быть дорогостоящей из-за их способности давать фотореалистичные результаты. В большинстве случаев производственный рендеринг выполняется на больших компьютерные кластеры.

Язык затенения RenderMan

В Язык затенения RenderMan (часто называемый RSL или SL, для краткости), который определяется в Спецификация интерфейса RenderMan[1] - это наиболее распространенный язык затенения для качественного рендеринга.[нужна цитата ] Это также один из первых языков затенения, когда-либо реализованных.

В языке определены шесть основных типов шейдеров:

  • Шейдеры источников света вычислить цвет света, излучаемого из точки на источнике света по направлению к точке на целевой поверхности.
  • Поверхностные шейдеры моделируют оптические свойства освещаемого объекта. Они выводят окончательный цвет и положение точки с учетом падающего света и физических свойств объекта.
  • Шейдеры смещения управлять геометрией поверхности независимо от цвета.
  • Шейдеры деформации преобразовать все пространство геометрии. Только одна реализация RenderMan, Средство визуализации AIR, реализовал этот тип шейдера, поддерживая только одно линейное преобразование, применяемое к пространству (это было больше похоже на шейдер преобразования, если такой тип существовал).
  • Объемные шейдеры управлять цветом света, когда он проходит через объем. Они создают такие эффекты, как туман.
  • Шейдеры тепловизора описывают преобразование цвета в конечные значения пикселей. Это очень похоже на фильтр изображений, однако шейдер имидж-сканера работает с данными до квантование. Такие данные имеют больший динамический диапазон и цветовое разрешение, чем могут отображаться на обычном устройстве вывода.

Язык затенения Houdini VEX

Гудини Язык затенения VEX (Vector Expressions) (часто сокращенно VEX) во многом смоделирован после RenderMan. Однако его интеграция в полный 3D-пакет означает, что средство записи шейдера может получить доступ к информации внутри шейдера, а эта функция обычно недоступна в контексте рендеринга. Языковые различия между RSL и VEX в основном синтаксические, помимо различий в именах нескольких тень имена.[2]

Язык затенения Gelato

Джелато с[3] язык затенения, например VEX Гудини, полностью смоделирован после RenderMan. Различия между языком затенения Gelato и RSL в основном синтаксические - Gelato использует точки с запятой вместо запятых для разделения аргументов в определениях функций и нескольких Shadeops имеют разные названия и параметры.

Открытый язык затенения

Открытый язык затенения (OSL) был разработан Sony Pictures Imageworks для использования в его Arnold Renderer. Он также используется Блендер движок рендеринга Cycles. Шейдеры поверхностей и объема OSL определяют, как поверхности или объемы рассеивают свет таким образом, чтобы можно было производить выборку по важности; таким образом, он хорошо подходит для физически основанные рендеры которые поддерживают трассировку лучей и глобальное освещение.

Рендеринг в реальном времени

Языки затенения для рендеринг в реальном времени сейчас широко распространены. Они обеспечивают как более высокую аппаратную абстракцию, так и более гибкую модель программирования, чем предыдущие парадигмы, которые жестко запрограммировали уравнения преобразования и затенения. Это дает программисту больший контроль над процессом рендеринга и предоставляет более богатый контент с меньшими накладными расходами.

Шейдеры, предназначенные для выполнения непосредственно на GPU стали полезными для высокопроизводительной общей обработки из-за их потоковое программирование модель; это привело к развитию вычислить шейдеры работает на аналогичном оборудовании (см. также: ГПГПУ ).

Исторически сложилось так, что лишь немногим из таких языков удалось как утвердиться, так и удержать сильные позиции на рынке; краткое описание этих языков следует ниже.

Язык ассемблера ARB

В Совет по обзору архитектуры OpenGL учредил Язык ассемблера ARB в 2002 году как стандартный низкоуровневый набор инструкций для программируемых графических процессоров.

Высокий уровень OpenGL языки затенения часто компилируются в сборку ARB для загрузки и выполнения. В отличие от языков затенения высокого уровня, сборка ARB не поддерживает поток управления или ветвление. Однако он продолжает использоваться, когда требуется переносимость между графическими процессорами.

Язык затенения OpenGL

Также известный как GLSL или же glslang, это стандартизованное[4] язык затенения предназначен для использования с OpenGL.

Язык объединяет вершина и обработка фрагментов в едином наборе команд, что позволяет использовать условные циклы и (в более общем плане) ветви. Исторически GLSL предшествовал Язык ассемблера ARB.

Язык программирования cg

Язык программирования Cg, разработан NVIDIA,[5] был разработан для простой и эффективной интеграции в производственный конвейер. Язык поддерживает независимость от API и поставляется с большим количеством бесплатных инструментов.[1] для улучшения управления активами. Разработка Cg была остановлена ​​в 2012 году, и язык устарел.

Язык сборки шейдеров DirectX

Язык ассемблера шейдеров в Direct3D 8 и 9 является основным языком программирования для вершина и пиксельные шейдеры в Шейдерная модель 1.0 / 1.1, 2.0 и 3.0. Язык ассемблера шейдера является прямым представлением промежуточного байт-кода шейдера, который передается графическому драйверу для выполнения.

Язык ассемблера шейдеров нельзя напрямую использовать для программирования унифицированной модели шейдеров 4.0, 4.1, 5.0 и 5.1, хотя он сохраняет свою функцию в качестве представления промежуточного байт-кода для целей отладки.[6]

Язык шейдеров высокого уровня DirectX

В Язык затенения высокого уровня (также для краткости называемый HLSL) - это язык шейдеров в стиле C для DirectX 9 и выше и игровые приставки Xbox. Он связан с Cg от Nvidia, но поддерживается только DirectX и Xbox. Программы HLSL компилируются в байт-код, эквивалентный языку ассемблера шейдеров DirectX.

HLSL был представлен как необязательная альтернатива языку ассемблера шейдеров в Direct3D 9, но стал требованием в Direct3d 10 и более поздних версиях, где язык ассемблера шейдеров устарел.

Adobe Pixel Bender и язык сборки графики Adobe

Adobe Systems добавлен Pixel Bender как часть Adobe Flash 10 API. Pixel Bender мог обрабатывать только пиксельные данные, но не 3D-вершины. Flash 11 представил совершенно новый 3D API под названием Stage3D, который использует собственный язык затенения, называемый Язык ассемблера графики Adobe (AGAL), который предлагает полную поддержку 3D-ускорения.[7][8] Ускорение графического процессора для Pixel Bender было удалено в Flash 11.8.[9][10]

AGAL - это низкоуровневый, но независимый от платформы язык затенения, который может быть скомпилирован, например, к Язык ассемблера ARB[нужна цитата ] или же GLSL.

Язык шейдеров PlayStation

Sony объявил PSSL (Язык шейдеров PlayStation ) как язык затенения, зависящий от платформы, аналогичный Cg / HLSL для PlayStation 4. Говорят, что он в значительной степени совместим с шейдерами HLSL на ПК, но с дополнительными функциями для платформы PS4.[11]

Язык затенения металла

Apple создала низкоуровневый графический API под названием Металл, который работает на большинстве компьютеров Mac, выпущенных с 2012 года, iPhone после 5S и iPad после iPad Air. Metal представляет свой собственный язык затенения под названием Metal Shading Language (MSL), который основан на C ++ 14 и реализовано с использованием лязгать и LLVM. MSL объединяет обработку вершин, фрагментов и вычислений. [12]

Перевод

По мере того, как становится доступным все больше и больше графических API, разработчики сталкиваются с проблемой переноса шейдеров с одного языка шейдера на другой. Используются несколько подходов:[13]

  • Ручное переключение с помощью Препроцессор C (CPP) заявления. Cg / HLSL, GLSL и MSL реализуют макросы CPP, поэтому можно объединить все различные операции в общий интерфейс. Source 2 от Valve и NVIDIA FXAA 3.11 сделай это.
  • Переведите один язык на другой. Байт-код DirectX частично может быть преобразован в GLSL через HLSLcc, а также несколько инструментов для преобразования GLSL в HLSL, таких как УГОЛ и HLSL2GLSL существовать.
  • Определите другой промежуточный язык. СПИР-В частично предназначен для этой цели. Его можно сгенерировать из HLSL или GLSL и декомпилировать в HLSL, GLSL или MSL.[14]

Рекомендации

  1. ^ Персонал (1986–2012). «РИСПЕК». Pixar. Pixar. Архивировано из оригинал 25 июля 2011 г.. Получено 9 июн 2012.
  2. ^ Сотрудники. "Гудини". Боковой FX. Side Effects Software Inc. Архивировано с оригинал 22 июля 2008 г.. Получено 9 июн 2012.
  3. ^ Корпорация NVIDIA (2003–2008 гг.). "Дома". Зона NVIDIA Gelato. Корпорация NVIDIA. Архивировано из оригинал 26 апреля 2006 г.. Получено 9 июн 2012.
  4. ^ Персонал (1997–2012 гг.). «Язык затенения OpenGL». OpenGL. Группа Хронос. Получено 9 июн 2012.
  5. ^ Персонал (2012). «Cg Toolkit». Зона разработчиков NVIDIA. Корпорация NVIDIA. Получено 9 июн 2012.
  6. ^ MSDN - DirectX и игры - Справочник по шейдерам Asm
  7. ^ Джозеф Лабрек (2011). Что нового в Adobe AIR 3. O'Reilly Media, Inc., стр.17 –26. ISBN  978-1-4493-1108-7.
  8. ^ Реми Арно (2011). «3D в веб-браузере». В Эрике Ленгьеле (ред.). Самоцветы игрового движка 2. CRC Press. С. 207–212. ISBN  978-1-56881-437-7.
  9. ^ "Stage3D". scratch.mit.edu. Получено 2014-08-05.
  10. ^ Adobe Flash Player 11.8 - ошибка 3591185: производительность шейдера Pixel Bender резко упала в FP11.8. Закрыт как "NeverFix" Архивировано 2014-04-22 в Wayback Machine
  11. ^ Стенсон, Ричард; Хо, Крис. «Язык затенения PlayStation для PS4». GDC Europe 2013.
  12. ^ Руководство по языку Metal Shading
  13. ^ Пранцкявичюс, Арас. «Кроссплатформенные шейдеры в 2014 г. · Сайт Араса».
  14. ^ «SPIR-V Toolchain». LunarXchange.

Примечания

  1. ^ Предыдущие языки затенения вершин (в произвольном порядке) для OpenGL включают EXT_vertex_shader, NV_vertex_program, вышеупомянутое ARB_vertex_program, NV_vertex_program2 и NV_vertex_program3.
  2. ^ Для штриховки фрагментов nvparse возможно, первый язык затенения с абстракцией высокого уровня на основе NV_register_combiners, NV_register_combiners2 для пиксельной математики и NV_texture_shader, NV_texture_shader2 и NV_texture_shader3 для поиска текстуры. ATI_fragment_shader даже не предоставлял "строково-ориентированный" синтаксический анализатор (хотя позже он был добавлен ATI_text_fragment_shader ). ARB_fragment_program, был очень успешным. NV_fragment_program и NV_fragment_program2 на самом деле похожи, хотя последние предоставляют гораздо более продвинутые функции по сравнению с другими.
  3. ^ Fx composer с домашней страницы NVIDIA, http://developer.nvidia.com/object/fx_composer_home.html
  4. Руди Кортес и Сати Рагхавачари: Руководство по языку шейдинга RenderMan, PTR курса "Технологии", 1-е издание (27 декабря 2007 г.), ISBN  1-59863-286-8