|
|
|
|
@ -0,0 +1,48 @@
|
|
|
|
|
# Введение
|
|
|
|
|
## Что такое фрагментный шейдер?
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В предыдущем параграфе мы описали шейдеры как эквивалент пресса Гутенберга для графики. Почему? Ч вообще, что такое шейдер?
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если у вас уже есть опыт рисования с помощью компьютера, вы скорее всего сначала рисовали круг, затем прямоугольник, линию, несколько треугольников, получая в итоге желаемую композицию. Процесс похож на написание письма или книги вручную - это набор инструкций, которые последовательно решают задачи одну за другой.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Шейдеры так же являются наборами инструкций, и эти инструкции исполняются одновременно для каждого пикселя на экране. Это означает, что код должен работать по разному в зависимости от положения пикселя на экране. Подобно печатному прессу, ваша программа будет работать как функция, принимающая на вход положение и возвращающая цвет. Будучи скомпилированной, она будет работать невероятно быстро.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## Почему шейдеры работают быстро?
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответить на этот вопрос помогут *параллельные вычисления*.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Представьте процессор компьютера в виде трубы, а каждую задачу как что-то проходящее через неё, как на фабричной производственной линии. Некоторые задачи больше остальных, то есть требуют больше времени и энергии на выполнение. В наших терминах, они требуют больше вычислительной мощности. Из-за особенностей архитектуры компьютера задачи запускаются последовательно, и каждая задача должна быть завершена вовремя. Современные компьютеры обычно содержат несколько процессоров, которые работают как такие трубы, выполняя задания одно за другим, чтобы создать иллюзию плавности и непрерывности работы. Каждая такая труба называется *потоком*.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Видеоигры и другие графические приложения требуют намного больше вычислительной мощности, чем другие программы. Они вынуждены совершать огромное количество попиксельных операций над графическим контентом. Каждый пиксель на экране должен быть обсчитан, а в 3D-играх нужно рассчитать ещё и геометрию с перспективой.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Давайте вернёмся к нашей метафоре с трубами и задачами. Каждый пиксель на экране является небольшой простой задачей. По отдельности такие задачи не представляют трудности для CPU, но проблема в том, что эти небольшие задания должны быть выполнены для каждого пикселя на экране. Таким образом, даже для старого экрана с разрешением 800х600, нужно обработать 480 000 пикселей, то есть произвести 14 400 000 вычислений в секунду! И это становится непосильной задачей для центрального процессора. На современном ретина-дисплее с разрешением 2880х1800 вывод видео с частотой 60 кадров в секунду увеличит количество вычислений до 311 040 000 в секунду. Как же инженеры графических систем решают эту проблему?
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На помощь приходят параллельные вычисления. Вместо нескольких больших и мощных процессоров разумнее использовать большое количество небольших процессоров, работающих параллельно. Именно так и устроен графический процессор (GPU).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Представьте небольшие процессоры в виде стола из труб, а данные для каждого пикселя - в виде теннисного шарика. 14 400 000 шариков в секунду могут засорить какую угодно трубу, в то время как стол из 800х600 небольших труб сможет спокойно пропустить в секунду 30 волн по 480 000 пикселей. Это верно и на более высоких разрешениях - чем больше у вас параллельно работающего оборудования, тем больший поток оно сможет принять.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Другая «суперспособность» GPU заключается в аппаратном ускорении математических функций. Таким образом, сложные математические операции обрабатываются оборудованием, а не программами. Это позволяет совершать тригонометрические и векторно-матричные операции сверхбыстро, практически со скоростью света.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## Что такое GLSL?
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
GLSL расшифровывается как OpenGL Shading Language (язык шейдеров OpnGL), является стандартизированным языком для написания шейдерных программ, с которыми вы встретитесь далее. Существуют различные типы шейдеров, зависящие от аппаратуры и операционной системы. Эта книга опирается на спецификацию OpenGL, издаваемую [Khronos Group](https://www.khronos.org/opengl/). Понимание истории OpenGL может быть полезным для понимания многих странных соглашений, принятых в ней. Для этого вы можете пройти по следующей ссылке: [openglbook.com/chapter-0-preface-what-is-opengl.html](http://openglbook.com/chapter-0-preface-what-is-opengl.html)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
## Почему программирование шейдеров - это боль?
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К параллельным вычислениям применим известный афоризм: "большая власть влечёт большую ответственность". Мощь архитектуры графических процессоров накладывает некоторые ограничения.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для параллельной работы каждый поток не должен зависеть от остальных потоков. Потоки "слепы" по отношению к тому, чем занимаются другие потоки. Из этого ограничения следует, что все данные должны перемещаться в одном направлении. Поэтому невозможно использовать результат соседнего потока, изменить входные данные или направить выход одного потока на вход другого. Организация межпотокового взаимодействия несёт риск нарушения целостности данных.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кроме того, GPU постоянно поддерживает свои процессоры в занятом состоянии. Как только они освобождаются, они тут же получают новую порцию данных для обработки. Поток не может узнать что он делал в предыдущий момент времени. Он мог рисовать кнопку з графического интерфейса операционной системы, затем рисовать кусок неба в игре, а потом отображать текст почтового сообщения. Каждый поток не только **слеп**, но ещё и **лишён памяти**. Помимо абстракции в виде функции, изменяющей свой результат в зависимости от положения пикселя, слепота и беспамятство потоков не добавляют шейдерам популярности среди начинающих программистов.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Не волнуйтесь! В следующих главах мы пошагово рассмотрим шейдерные вычисления, начиная с самых простых. Если вы читаете книгу в современном браузере, вы оцените возможность поиграться с интерактивными примерами. Так давайте же не откладывать веселье в долгий ящик! Нажмите *Next >>* чтобы перейти к программированию!
|
Sergey Karchevsky
7 years ago