Siirry sisältöön

Shader-ohjelma

Wikipediasta

Shader-ohjelma (toisinaan vain shader tai ohjelma) eli varjostin[1][2][3] tai sävytin[4][2][5] on ohjelma, joka mahdollistaa grafiikkaliukuhihnan muokkaamisen ja on kirjoitettu tarkoitukseen suunnatulla kielellä.[6] Robert L. Cookin artikkeli Shade Trees julkaistiin vuonna 1984 ja RenderManin RenderMan Shading Language -kieli kehittyi tästä ideasta.[7][8] Nimitys, joka johtuu historiallisista syistä,[6][7] on peräisin alkuperäisestä käytöstä valaistuksen (eli varjostuksen) ja värien laskemiseen[9], mutta nykyisin niitä voidaan käyttää myös liikkeeseen, animointiin sekä kohteiden taivuttamiseen.[10][11]

RenderManin kieltä on yritetty soveltaa myös grafiikkasuorittimille (GPU), jolloin havaittiin tärkeiden toimintojen puuttuminen täyteen ohjelmoitavuuteen.[7]

Grafiikkasuorittimien ominaisuudet ovat kehittyneet kiinteätoimisista (konfiguroitavista) suuremmalle ohjelmoitavuudelle.[7] Tyypillisessä grafiikkaliukuhihnassa on vaiheet:[6]

  1. (verteksit) verteksikohtainen muunnos näyttöavaruuteen
  2. (rasterointi) kolmiokohtainen iteraatio, perspektiivikorjaus
  3. (pikseli) pikselikohtainen varjostus
  4. (lopputuloksen yhdistäminen) varjostuksen yhdistäminen väri- ja syvyyspuskurien kanssa

Ohjelmoitavassa liukuhihnassa vaiheiden järjestys on kiinteä, mutta niiden toteutus on ohjelmoitavissa.[6] Aluksi ohjelmoitavuus keskittyi pikselien varjostukseen, mutta shader-mallien kehityksen myötä myös muut vaiheet tulivat ohjelmoitaviksi sekä merkittäviä uusia vaiheita kuten geometrian käsittely.[7] Sonyn PlayStation 3:ssa ja Microsoftin Xbox 360:ssa oli mukana edistyneet ominaisuudet (Shader Model 3.0) ja kiinteätoiminen liukuhihna oli vähentynyt: Nintendon Wii oli mahdollisesti viimeinen kiinteätoimista liukuhihnaa käyttävä pelikonsoli.[7]

Grafiikkasuorittimien varhainen ohjelmointi suoritettiin assemblyn kaltaisella kielellä, mutta myöhemmin on rajattu mahdollisuudet käyttämään vain korkean tason ohjelmointikieliä kuten HLSL ja GLSL (OpenGL Shading Language): assembly on näkyvillä vain debuggausta varten.[7] Unified Shader -mallissa grafiikkaliukuhihnan eri vaiheilla on samat ominaisuudet.[12]

Shader-tyypit

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vertex shader (verteksivarjostin) suoritetaan mallin ja näkymän muunnoksien (engl. transformation) sekä projektion vaiheessa.[7] Vertex shaderin käyttökohteita ovat muun muassa hahmon liikkeiden animointi ja veden pinnan muodonmuutokset.[13] Pixel shader viittaa ohjelmaan, joka suoritetaan pikselikohtaisessa vaiheessa ja laskee efektin pikselikohtaisesti.[6][14]

Fragment shader (fragmenttivarjostin) on suoritusvaihe, joka käsittelee rasteroinnin tuottaman fragmentin.[15] Fragment viittaa kolmion osaan, joka on päällekkäinen pikselin kanssa.[6]

Geometry shader (geometriavarjostin) on heti verteksivaiheen jälkeen suoritettava, jolle annetaan primitiivi sekä mahdollisesti siihen liittyvät ja se voi tuottaa useampia primitiivejä (lisäys) tai ei yhtään (poistaminen).[7][16] Geometry shader on valinnainen ja voidaan käyttää tesselaatioon ennen verteksien jälkikäsittelyä.[17] Tesselaatioon on myös Tessellation Control Shader sekä Tessellation Evaluation Shader.[18] Sonylla ja Microsoftilla on tesselaation käsittelyvaiheet (hull- ja domain-vaiheet).[19][20]

AMD on esitellyt vuonna 2017 Vega-arkkitehtuurin myötä primitive shader -tyyppisen geometriavaiheen, joka on computer shaderin kaltainen tiedon käsittelyssä.[21] Tämän tavoitteena on tehokkaampi primitiivien poisto ja siten tehokkaampi renderöinti.[21] Nvidia on esitellyt Turing-arkkitehtuurin myötä vastaavan mesh shader -vaiheen.[22] Vulkan-rajapinnassa mesh-shader toimii vaihtoehtoisena geometrian käsittelynä ja yksinkertaistaa geometrian käsittelyn pienempään määrään vaiheita tarjoamalla vaihtoehdon perinteisille verteksi-, tesselaatio- ja geometria-vaiheille.[23] Mesh-shaderin kanssa voi käyttää valinnaista task-shader vaihetta (amplification shader DirectX:ssä), joiden tuloksen voi syöttää suoraan rasterointiin.[23] Geometrian käsittelyn lisäksi mesh-shader voi tehdä yksinkertaisia laskentaoperaatioita.[23]

Compute shader (laskentavarjostin) on laskennalliseen GPGPU-käyttöön suunnattu ohjelma, joka ei ole osa normaalia renderöintiliukuhihnaa.[24][25][26] Laskennalliseen käyttöön on kehitetty arkkitehtuurit kuten Nvidian CUDA, Microsoftin DirectCompute sekä OpenCL, jotka käyttävät SPMD-ohjelmointimallia (Single Program Multiple Data).[27] SPMD-mallit käyttävät SIMD-ytimiä ja ohittavat grafiikkaliukuhihnan käyttäen vain yhtä laskentavaihetta.[27]

Kieliä

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kieliä on kehitetty lukuisia sekä offline-renderöintiin (elokuvateollisuus) että reaaliaikaiseen käyttöön.

Offline-renderöinti

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Reaaliaikainen renderöinti

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  1. ↑ Ranki, Ville: QML – deklaratiivisen käyttöliittymän alkeet. Skrolli, 2013, nro 1. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 6.11.2025.
  2. ↑ a b Joensuu, Janne: 3D-alan sanasto – 3D-grafiikan termit suomeksi, s. 6. Kajaanin ammattikorkeakoulu, 54. Teoksen verkkoversio (PDF) Viitattu 6.11.2025.
  3. ↑ Hevosmaa, Tuukka: 3D-näkymän ohjelmointi OpenGL 4.5 -ohjelmointirajapinnalla, s. 2–3. Centria-ammattikorkeakoulu, 54. Teoksen verkkoversio (PDF) Viitattu 6.11.2025.
  4. ↑ Mattila, Anna-Liisa: 3D-käyttöliittymäkomponenttikirjaston toteuttaminen web-tekniikoilla, s. IX. Tampereen teknillinen yliopisto, 54. Teoksen verkkoversio (PDF) Viitattu 6.11.2025.: "Sävytin ... Engl. Shader."
  5. ↑ Kotajärvi, Noora: Kolmiulotteinen tuotekuva: 3D-mallintaminen mainontaan ja mainokseen suunnatun tuotekuvan toteutustekniikkana, s. 16. Lapin yliopisto, 54. Teoksen verkkoversio (PDF) Viitattu 6.11.2025.: "Materiaalit ovat yleensä yhdistelmä sävytintä (shader) ja tekstuuria [...]"
  6. ↑ a b c d e f Akeley, Feiner, Foley, Hughes, Van Dam, McGuire, Sklar: Computer Graphics Principles and Practice, s. 8, 432–433, 930. (Third Edition) Addison-Wesley, 2014. ISBN 978-0-321-39952-6 (englanniksi)
  7. ↑ a b c d e f g h i Akenine-Möller, Tomas & Haines, Eric & Hoffman, Naty: Real-Time Rendering, s. 29–35, 41. (Third Edition) CRC Press, 2008. ISBN 978-1-56881-424-7 (englanniksi)
  8. ↑ Robert L. Cook: Shade Trees (PDF) citeseerx.ist.psu.edu. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  9. ↑ Driemeyer, Thomas; Herken, Rolf. Programming mental ray (2003, 2. painos). Springer-Verlag Wien New York. ISBN 3-211-83851-1
  10. ↑ Kavalans, Andrejs: Exploring Modern Shader Technologies and Their Capabilities with WebGPU theseus.fi. 2025. Viitattu 6.11.2025. (englanniksi)
  11. ↑ Peyman Torabi: Skeletal Animation Optimization Using Mesh Shaders (PDF) diva-portal.org. kesäkuu 2019. Viitattu 6.11.2025. (englanniksi)
  12. ↑ Common-Shader Core msdn.microsoft.com. Microsoft. Viitattu 26.1.2017.
  13. ↑ Vertex Shaders nvidia.com. Viitattu 7.10.2022. (englanniksi)
  14. ↑ Pixel Shaders nvidia.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  15. ↑ Fragment Shader khronos.org. Khronos Group. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  16. ↑ Geometry Shader Stage learn.microsoft.com. 24.5.2021. Viitattu 7.10.2022. (englanniksi)
  17. ↑ Geometry Shader khronos.org. Khronos Group. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  18. ↑ Tessellation khronos.org. Khronos Group. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  19. ↑ Tessellation Stages docs.microsoft.com. 31.5.2018. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  20. ↑ a b PlayStation Shading Language for PS4 gdcvault.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  21. ↑ a b The curtain comes up on AMD’s Vega architecture techreport.com. 5.1.2017. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  22. ↑ Introduction to Turing Mesh Shaders developer.nvidia.com. 17.9.2018. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  23. ↑ a b c Christoph Kubisch: Mesh Shading for Vulkan khronos.org. 1.9.2022. Viitattu 7.10.2022. (englanniksi)
  24. ↑ Compute Shader khronos.org. Khronos Group. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  25. ↑ Compute shaders docs.unity3d.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  26. ↑ https://arm-software.github.io/vulkan-sdk/basic_compute.html
  27. ↑ a b Akeley, Feiner, Foley, Hughes, Van Dam, McGuire, Sklar: Computer Graphics Principles and Practice, s. 1142. (Third Edition) Addison-Wesley, 2014. ISBN 978-0-321-39952-6 (englanniksi)
  28. ↑ Cg Toolkit developer.nvidia.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
  29. ↑ Metal Shading Language Specification (PDF) developer.apple.com. Viitattu 12.1.2021. (englanniksi)
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Shader-ohjelma&oldid=23671847”