1 / 108

Введение в использование шейдеров OpenGL

Компьютерная графика. Лекция 7. Введение в использование шейдеров OpenGL. Необходимость программирования графических адаптеров. Компьютерная графика. Лекция 7. Программируемое графическое аппаратное обеспечение существует почти столько же времени, сколько и обычное.

edie
Download Presentation

Введение в использование шейдеров OpenGL

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Компьютерная графика. Лекция 7 Введение в использование шейдеров OpenGL

  2. Необходимость программирования графических адаптеров Компьютерная графика. Лекция 7 Программируемое графическое аппаратное обеспечение существует почти столько же времени, сколько и обычное. Акселераторы разрабатываютсянесколько лет, а устаревают за год. Единственный способ гарантировать поддержу современных API – внести программируемость

  3. Компьютерная графика. Лекция 7 Проблемы программирования графических адаптеров • Несмотря на поддержу программируемости на уровне аппаратуры ей нельзя было воспользоваться, т.к. ни один графический API ее не поддерживал! • Раскрытие возможностей программируемости требовало дорогостоящего обученияразработчиков и поддержки пользователей • Но принципы разработки графической аппаратуры изменились. Разработчики требовали все новых и новых возможностей, чтобы создавать захватывающие эффекты и аппаратура стала более программируемой, чем когда либо ранее

  4. Компьютерная графика. Лекция 7 Развитие графических API • Одновременно с совершенствованием графической аппаратуры совершенствовались графические API. • Первоначально разработчикам были доступны подобные ассемблеру языки для обработки графики, однако со временем появились удобные и надежные языки высокого уровня. • Сегодня GPU стали универсальными процессорами для параллельной обработки чисел с плавающей запятой и могут быть использованы для решения огромного числа задач, даже не имеющих прямого отношения к графике

  5. Компьютерная графика. Лекция 7 Языки для разработки шейдеров • Интерактивные шейдерные языки стали доступны всем! • Для желающего воспользоваться программируемостью графического аппаратного обеспечения существует множество вариантов: • HLSL (Microsoft) • Cg (NVidia) • GLSL (ARB)

  6. Что такое шейдер? Компьютерная графика. Лекция 7 • Шейдер (англ. – shader) – целостный кусок кода на языке шейдеров, предназначенный для выполнения на одном из программируемых процессоров • В OpenGL 2.0 введены два типа шейдеров • Вершинные шейдеры • Фрагментные шейдеры

  7. Для чего нужны шейдеры? Компьютерная графика. Лекция 7 • OpenGL предоставляет программистам гибкий, но статический интерфейс для рисования графики • Шейдеры позволяют приложению переопределить стандартный способ обработки графики на некоторых этапах рендеринга • С помощью шейдеров стало возможным применение продвинутых технологий рендеринга в реальном времени

  8. Язык шейдеров в Open GL 2.0 Компьютерная графика. Лекция 7 • В 2004 году опубликован OpenGL2.0, основное нововведение – высокоуровневой язык шейдеров GLSL (OpenGL Shading Language), предоставляющих приложениям возможность реализации собственных механизмов рендеринга при помощи замены стандартных обработчиков вершин и фрагментов • Отличительная особенность GLSL в том, что он тщательно анализировался и оценивался многими производителями аппаратного обеспечения. Основная цель при его создании – достижение кроссплатформенности, надежности и стандартизации

  9. Отличительные особенности GLSL Компьютерная графика. Лекция 7 • Тесная интеграция с OpenGL API • GLSL был спроектирован для совместного использования с OpenGL. Специально предусмотрено, чтобы приложения можно было легко модифицировать для поддержки шейдеров. GLSL имеет встроенные возможности доступа к состоянию OpenGL • Открытый межплатформенный стандарт • За исключением языка шейдеров OpenGL, нет других шейдерных языков, являющихся частью межплатформенного стандарта. GLSL может быть реализован разными производителями на произвольных платформах

  10. Отличительные особенности GLSL Компьютерная графика. Лекция 7 • Компиляция во время выполнения • Исходный код хранится в первоначальном, легко поддерживаемом виде и компилируется при необходимости • Независимость от языка ассемблера различных производителей • Проектировщики аппаратуры не ограничены языком ассемблера и имеют больше шансов получить выигрыш в производительности

  11. Отличительные особенности GLSL Компьютерная графика. Лекция 7 • Неограниченные возможности по оптимизации компилятора под различные платформы • Усовершенствовать компиляторы можно с каждой новой версией драйвера OpenGL и приложения не придется модифицировать или перекомпилировать • Отсутствие дополнительных библиотек и программ • Все необходимое – язык шейдеров, компилятор и компоновщик – определены как часть OpenGL

  12. различие между языками OpenGL и HLSL: Компьютерная графика. Лекция 7 • Код на языке GLSL компилируется в машинный код непосредственно внутри драйвера графического ускорителя • Код на HLSL транслируется в язык ассемблера внутри DirectX, а затем переводится в машинный код внутри драйвера Шейдер HLSL Шейдер GLSL ЯВУ Транслятор HLSL Программа D3D Драйвер OpenGL Ассемблер Компилятор GLSL Драйвер Direct3D Аппаратура Аппаратура

  13. Конвейеропераций OpenGL Компьютерная графика. Лекция 7 • Вплоть до версии 2.0 OpenGL предоставлял программистам статичный или фиксированный интерфейс для рисования графики • На функционирование OpenGL можно смотреть как на стандартную последовательность операций, применяемую к геометрическим данным для вывода их на экран • На различных этапах обработки графики разработчик может изменять массу параметров и получать различные результаты. Однако нельзя изменить ни сами фундаментальные операции, ни их порядок • Рассмотрим стандартный конвейер операций OpenGL подробнее

  14. Диаграмма работы стандартного конвейера OpenGL Компьютерная графика. Лекция 7 • Основные этапы работы стандартногографического конвейера OpenGL • Обработка вершин • Трансформация вершин и нормалей • Расчет освещения в вершинах • Генерирование текстурных координат • Обработка примитивов • Сборка примитивов • Отсечение • Проецирование вершин • Обработка фрагментов • Растеризация примитивов, наложение текстур • Операции над пикселями

  15. Конвейеропераций OpenGL Компьютерная графика. Лекция 7

  16. Программируемая функциональность Компьютерная графика. Лекция 7 • Самое большое изменение OpenGL со времени его создания – внедрение программируемых вершинных и фрагментных процессоров • С введением программируемости, если она используется приложением, стандартная (или фиксированная) функциональность выключается • Часть процесса обработки вершин и фрагментов заменяется программируемой функциональностью. Потоки данных идут от приложения к вершинному процессору, потом к фрагментному и в итоге попадают в буфер кадров • Рассмотрим конвейер операций с программируемыми процессорами

  17. Конвейеропераций OpenGL Компьютерная графика. Лекция 7

  18. Вершинный процессор Компьютерная графика. Лекция 7 • Это программируемый модуль, который выполняет операции над входными значениями вершин и другими связанными с ними данными. • Вершинный процессор выполняет: • Преобразование вершин • Преобразование и нормализация нормалей • Генерирование и преобразование текстурных координат • Настройка освещения • Наложение цвета на материал Шейдеры, предназначенные для выполнения на этом процессоре, называются вершинными

  19. Входные и выходные данные вершинного процессора Компьютерная графика. Лекция 7 Встроенные переменные атрибутов: gl_Color, gl_Normal, gl_Vertex, gl_MultiTexCoord0и др. Определенные пользователем переменные атрибутов: StartColor, Velocity, Elevation, Tangentи т.п. Определенные пользователем uniform-переменые: Time, EyePosition, LightPositionи т.п. Встроенные uniform-переменые: gl_ModelViewMatrix, gl_FrontMaterial, gl_LightSource[0..n], gl_Fogи т.п. Вершинный процессор Карты текстур Встроенные varying-переменные: gl_FrontColor, gl_BackColor, gl_FogFragCoordи др. Специальные выходные переменные: gl_Position, gl_PointSize, gl_ClipVertex Определенные пользователем varying-переменные: Normal, ModelCoord, RefractionIndex, Density и т.п.

  20. квалификаторы типов Компьютерная графика. Лекция 7 • Для управления входными и выходными данными вершинного шейдера используются квалификаторы типов, определенные как часть языка шейдеров OpenGL: • Переменные-атрибуты (attribute) • Однообразные переменные (uniform) • Разнообразные переменные (varying)

  21. Attribute-переменные вершинного шейдера Компьютерная графика. Лекция 7 • Представляют собой данные, передаваемые вершинному шейдеру от приложения • Могут задавать значения атрибутов либо между glBegin()/glEnd(), либо при помощи функций, работающих с вершинными массивами • OpenGL поддерживает как встроенные, так и определенные пользователем attribute-переменные • gl_Normal, gl_Vertex, gl_Color

  22. Uniform-переменные Компьютерная графика. Лекция 7 • Используются для передачи редко изменяемых данных как вершинному, так и фрагментному шейдеру • Uniform-переменные не могут задаваться между вызовами glBegin() и glEnd() • OpenGL поддерживает как встроенные, так и определенные пользователем uniform-переменные • Для передачи значения uniform-переменной приложение должно сначала определить расположение данной переменной (индекс) по имени

  23. Varying-переменные Компьютерная графика. Лекция 7 • Данные в varying-переменных передаются из вершинного шейдера в фрагментный • Бывают как встроенными, так и определенными пользователем • Для каждой вершины значение соответствующей varying-переменной будет своим • В процессе растеризации происходит интерполяция значений varying-переменных с учетом перспективы

  24. Фрагментный процессор Компьютерная графика. Лекция 7 • Это программируемый модуль, выполняющий операции над фрагментами и другими связанными с ними данными • ФП выполняет следующие стандартные операции: • Операции над интерполируемыми значениями • Доступ к текстурам • Наложение текстур • Создание эффекта тумана • Смешивание цветов Шейдеры, предназначенные для выполнения на этом процессоре, называются фрагментными

  25. Входные и выходные данные фрагментного процессора Встроенные varying-переменные: gl_Color, gl_SecondaryColor, gl_TexCoord[0..n], gl_FogFragCoord Специальные входные переменные: gl_FragCoord gl_FrontFacing Определенные пользователем varying-переменные: Normal, ModelCoord, RefractionIndex, Density и т.п. Определенные пользователем uniform-переменные: ModelScaleFactor, AnimationPhase, WeightingFactorи т.п. Фрагментный процессор Карты текстур Встроенные uniform-переменые: gl_ModelViewMatrix, gl_FrontMaterial, gl_LightSource[0..n], gl_Fogи т.п. Специальные выходные переменные: gl_FragColor gl_FragDepth

  26. Фрагментный процессор не заменяет следующие операции: Компьютерная графика. Лекция 7 • Покрытие • Проверка на видимость • Отсечение по прямоугольнику (scissors test) • Тест трафарета • Тест прозрачности • Тест глубины • Отсечение по трафарету • Смешивание цветов • Логические операции • Dithering • Определение видимости плоскостей

  27. Входные данные фрагментного процессора Компьютерная графика. Лекция 7 • Встроенные varying-переменные • Определенные разработчиком varying-переменные • Имена и типы должны совпадать с именами varying-переменных, определенных в вершинном шейдере • Встроенные uniform-переменные • Определенные разработчиком uniform-переменные

  28. Язык программирования шейдеров GLSL

  29. Цели, преследуемые языком шейдеровOpenGL Компьютерная графика. Лекция 7 • Обеспечение хорошей совместимости с OpenGL • Использование гибкости графических ускорителей ближайшего будущего • Предоставление независимости от графического ускорителя • Увеличение производительности • Легкость использования • Обеспечение актуальности языка в будущем • Невмешательство в более высокие уровни параллельной обработки • Легкость разработки программ

  30. Совместимость с OpenGL Компьютерная графика. Лекция 7 • Язык GLSL разработан для использования совместно с OpenGL • Предоставляются программируемые альтернативы стандартной функциональности OpenGL • Язык и программируемые им процессоры имеют как минимум ту же функциональность, какую они заменяют • Доступ к текущим состояниям OpenGL

  31. Использование гибкости акселераторов ближайшего будущего Компьютерная графика. Лекция 7 • Язык предоставляет необходимый уровень абстракции для данной предметной области • Поддержка большого количества операций над скалярными и векторными величинами • Исчезла необходимость развитие частичных расширений функциональности OpenGL

  32. Независимость от графического ускорителя Компьютерная графика. Лекция 7 • Предшествующие расширения закончились созданием интерфейсов на языке ассемблера • Ухудшает переносимость программ • Высокоуровневой язык обеспечивает уровень абстракции, достаточный для переносимости • Производители ускорителей используют гибкость языка для внедрения новейших архитектур и технологий компиляции

  33. Увеличение производительности Компьютерная графика. Лекция 7 • Современные компиляторы высокоуровневых языков генерируют код, практически не уступающий по производительности вручную написанному коду • Высокоуровневой код может с легкостью компилироваться в более компактный и быстрый код, учитывающий возможности современных графических процессоров • Для кода на языке ассемблера может потребоваться переписывание кода

  34. Легкость использования Компьютерная графика. Лекция 7 • Легкость освоения языка программистами, знакомыми с Си и Си++ • Язык для программируемых процессоров (в т.ч. и будущих) должен быть один и очень простой

  35. Актуальность языка в будущем Компьютерная графика. Лекция 7 • При разработке GLSL были приняты во внимание особенности ранее созданных языков, таких как C и RenderMan • Язык тщательно стандартизован • Ожидается, что ранее написанные программы будут актуальны и через 10 лет

  36. Невмешательство в более высокие уровни параллельной обработки Компьютерная графика. Лекция 7 • Современные графические ускорители выполняют параллельную обработку вершин и фрагментов • Язык проектировался с учетом возможного распараллеливания обработки на более высоких уровнях

  37. Легкость разработки программ Компьютерная графика. Лекция 7 • Язык шейдеров GLSL не поддерживает указатели и ссылки, параметры передаются по значению • Нет проблемы с алиасингом • Облегчается работа оптимизирующего компилятора

  38. Связь с языком C Компьютерная графика. Лекция 7 • Точка входа в шейдерную программу – функция void main(),с кодом внутри фигурных скобок • Константы, идентификаторы, операторы, выражения и предложения имеют много общего с языком C • Циклы, ветвление, вызовы функций также аналогичны с языком C • Многострочные комментарии

  39. Дополнение к языку C Компьютерная графика. Лекция 7 • Векторные типы данных для чисел с плавающей запятой, целых и булевых значений • 2-х, 3-х и 4-х мерные векторы • Матричные типы данных для чисел с плавающей запятой • Матрицы 2x2, 3x3 и 4x4 • Дискретизаторы (sampler-ы) для доступа к текстурам • Спецификаторы attribute, uniform и varying входных и выходных переменных • Встроенные переменные состояния OpenGL • Начинаются с префикса gl_- gl_FragColor, gl_Position • Множество встроенных функций

  40. Дополненияк языку из C++ Компьютерная графика. Лекция 7 • Перегрузка функций • Конструкторы • Объявление переменных в произвольном месте программы, а не только в начале блока • Тип bool • Однострочные комментарии • Функции должны быть объявлены до их первого использования одним из следующих способов • Определением тела функции • Объявлением прототипа

  41. Не поддерживаемые возможности C Компьютерная графика. Лекция 7 • Отсутствие неявного приведения типов • float f = 0; // ошибка • float f = 0.0; // правильно • Нет поддержки указателей, строк, символов и операций над ними • Нет чисел с плавающей запятой двойной точности • Нет коротких, длинных и беззнаковых целых • Нет union, enumи побитовых операторов • Язык не файловый • Нет директив типа #include и других ссылок на имена файлов

  42. Прочие отличия Компьютерная графика. Лекция 7 • Вместо операторов приведения типов используются конструкторы • Входные и выходные параметры функций передаются по значению • Входные параметры функции обозначаются in • Выходные параметры – out • Входные и выходные одновременно – inout

  43. Пример простейшего вершинного шейдера Компьютерная графика. Лекция 7 void main() { /*то же самое, что и gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex; но обеспечивает инвариантность преобразования координат */ gl_Position = ftransform(); gl_FrontColor = gl_Color; }

  44. Пример простейшего фрагментного шейдера Компьютерная графика. Лекция 7 void main() { gl_FragColor = gl_Color; }

  45. Загрузка, компиляция и компоновка шейдерных программ

  46. Модель подготовки OpenGL-шейдеров Компьютерная графика. Лекция 7 Приложение Исходный код шейдера OpenGL API Компилятор Объектный код шейдера Компоновщик Объектный код программы Графический ускоритель

  47. Шаг 1 – создание шейдерного объекта Компьютерная графика. Лекция 7 • Для начала необходимо создать шейдерный объект (структура данных драйвера OpenGL для работы с шейдером) • Для создания шейдерного объекта служит функция glCreateShaderObjectARB • Возвращенный данной функцией объект имеет тип GLhandleARBи используется приложением для дальнейшей работы с шейдерным объектом

  48. Пример создания шейдера Компьютерная графика. Лекция 7 // создание вершинного шейдера GLhandleARBvertexShader = glCreateShaderObjectARB(GL_VERTEX_SHADER_ARB); // создание фрагментного шейдера GLhandleARBfragmentShader = glCreateShaderObjectARB(GL_FRAGMENT_SHADER_ARB);

  49. Шаг 2 – загрузка исходного кода шейдера в шейдерный объект Компьютерная графика. Лекция 7 • Исходный код шейдера – массив строк, состоящих из символов • Каждая строка может состоять из нескольких обычных строк, разделенных символом конца строки • Для передачи исходного кода приложение должно передать массив строк в OpenGL при помощи glShaderSourceARB

  50. Пример загрузки исходного кода в шейдерный объект Компьютерная графика. Лекция 7 constGLcharARB shaderSource1[] = “исходный код шейдера - начало”; constGLcharARB shaderSource2[] = “исходный код шейдера - окончание”; GLcharARBconst * shaderSources[] = { shaderSource1, shaderSource2 }; glShaderSourceARB(vertexShader, 2, shaderSources, NULL); В случае, когда исходный код находится в одной строке, задача слегка упрощается: const GLcharARB shaderSource1[] = “исходный код шейдера - начало”; const GLcharARB** pShaderSource = &shaderSource; glShaderSourceARB(vertexShader, 1, pShaderSource, NULL);

More Related