着色器
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計算機圖形學領域中，着色器（英語：shader）是一種計算機程序，原本用於進行圖像的濃淡處理（計算圖像中的光照、亮度、顏色等），但近來，它也被用於完成很多不同領域的工作，比如處理CG特效、進行與濃淡處理無關的影片後期處理、甚至用於一些與計算機圖形學無關的其它領域。[1]
使用着色器在圖形硬件上計算渲染效果有很高的自由度。儘管不是硬性要求，但目前大多數着色器是針對GPU開發的。GPU的可編程繪圖管線已經全面取代傳統的固定管線，可以使用着色器語言對其編程。構成最終圖像的像素、頂點、紋理，它們的位置、色相、飽和度、亮度、對比度也都可以利用着色器中定義的算法進行動態調整。調用着色器的外部程序，也可以利用它向着色器提供的外部變量、紋理來修改這些着色器中的參數。
在電影後期處理、計算機成像、電子遊戲等領域，着色器常被用來製作各種特效。除了普通的光照模型，着色器還可以調整圖像的色相、飽和度、亮度、對比度，生成模糊、高光、有體積光源、失焦、卡通渲染、色調分離、畸變、凹凸貼圖、色鍵（即所謂的藍幕、綠幕摳像效果）、邊緣檢測等效果。
歷史
[編輯]1988年5月，Pixar公布了第三版RenderMan規範，將「着色器」的使用推廣到了我們目前所知的各大應用領域。[2]
隨着圖形處理器的進步，OpenGL和Direct3D等主要的圖形軟件庫都開始支持着色器。第一批支持着色器的 GPU 僅支持像素着色器，但隨着開發者逐漸認識到着色器的強大，很快便出現了頂點着色器。2000年，第一款支持可編程像素着色器的顯卡 Nvidia GeForce 3（NV20）問世。Direct3D 10 和 OpenGL 3.2 則引入了幾何着色器。
目前，圖形硬件正在朝統一着色器模型發展。
設計
[編輯]着色器是描述頂點或像素特徵的簡單程序。頂點着色器描述頂點的屬性（位置、紋理坐標、顏色等），而像素着色器描述像素的特徵（顏色、z深度和alpha值）。
基本圖形管線如下所示：
- 中央處理器（CPU）發送指令(已編譯的着色器程序)和幾何數據到位於顯卡內的圖形處理器（GPU）。
- 頂點着色器執行幾何變換。
- 若幾何着色器位於圖形處理器內並已激活，它便會修改一些場景中的幾何結構。
- 若細分着色器位於圖形處理器內並已激活，場景中的幾何結構會被細分。
- 計算後的幾何結構被三角化（分割為三角形）。
- 三角形被分解為2 × 2的像素塊。
- 像素塊通過片段着色器被修改。
- 進行深度測試；通過的片段將被寫入屏幕，並可能被混合到幀緩衝區中。
種類
[編輯]常用的着色器有三種。比較老的顯卡傾向於使用不同的處理單元處理不同類型的着色器，但新出的顯卡通常都支持統一着色器模型，可以執行任意類型的着色器、更好地發揮顯卡的處理能力。[3]
二維着色器
[編輯]二維着色器處理的是數字圖像，也叫紋理，着色器可以修改它們的像素。二維着色器也可以參與三維圖形的渲染。目前只有「像素着色器」一種二維着色器。
像素着色器
[編輯]像素着色器（英語：pixel shader）也叫片段着色器（英語：fragment shader），用於計算「片段」的顏色和其它屬性，此處的「片段」通常是指單獨的像素。最簡單的像素着色器只有輸出顏色值；複雜的像素着色器可以有多個輸入輸出[4]。像素着色器既可以永遠輸出同一個顏色，也可以考慮光照、做凹凸貼圖、生成陰影和高光，還可以實現半透明等效果。像素着色器還可以修改片段的深度，也可以為多個渲染目標輸出多個顏色。
三維圖形學中，單獨一個像素着色器並不能實現非常複雜的效果，因為它只能處理單獨的像素，沒有場景中其它幾何體的信息。不過，像素着色器有屏幕坐標信息，如果將屏幕上的內容作為紋理傳入，它就可以對當前像素附近的像素進行採樣。利用這種方法，可以實現大量二維後期特效，例如模糊和邊緣檢測。
像素着色器還可以處理管線中間過程中的任何二維圖像，包括精靈和紋理。因此，如果需要在柵格化後進行後期處理，像素着色器是唯一選擇。
三維着色器
[編輯]三維着色器處理的是三維模型或者其它幾何體，可以訪問用來繪製模型的顏色和紋理。頂點着色器是最早的三維着色器；幾何着色器可以在着色器中生成新的頂點；細分曲面着色器（英語：tessellation shader）則可以向一組頂點中添加細節。
頂點着色器
[編輯]頂點着色器是最常見的一種 3D 着色器，對每個交給圖形處理器的頂點都運行一次。目的是將每個頂點在虛擬空間中的 3D 坐標變換到在屏幕上顯示的 2D 坐標（深度緩衝（Z-Buffer）的深度值也是如此）。頂點着色器可以掌控頂點的位置、顏色和紋理坐標等屬性，但無法生成新的頂點。頂點着色器的輸出傳遞到流水線的下一步。如果有之後定義了幾何着色器，則幾何着色器會處理頂點着色器的輸出數據，否則，光柵化器繼續流水線任務。
幾何着色器
[編輯]幾何着色器在 OpenGL 3.2 和 Direct3D 10 中被引入, 以前可在帶擴展的 OpenGL 2.0+ 中使用。改類型的着色器可以生成新的圖形基元，比如點，線和三角形。幾何着色器可以從多邊形網格中增刪頂點。它能夠執行對 CPU 來說過於繁重的生成幾何結構和增加模型細節的工作。Direct3D 10 增加了支持幾何着色器的API，成為 Shader Model 4.0 的組成部分。OpenGL 只可通過它的一個插件來使用幾何着色器，但極有可能在3.1版本中該功能將會歸併。幾何着色器的輸出連接光柵化器的輸入。
曲面細分着色器
[編輯]曲面細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。
圖元和網格着色器
[編輯]大約 2017 年, 圖元着色器做為新的着色器階段被 AMD Vega 微體系結構所支持。類似可以訪問必要數據的計算着色器來處理幾何體。
光線追蹤着色器
[編輯]光線追蹤着色器被微軟的 DirectX 光線追蹤，Khronos Group 的 Vulkan，GLSL 和 SPIR-V，蘋果的 Metal 所支持。
計算着色器
[編輯]計算着色器並不僅限於圖形應用程序，還有使用相同的通用圖形處理單元執行資源的程序。它們可能在圖形管線中被使用，比如額外的動畫階段或光照算法。 一些渲染 API 允許計算着色器輕鬆的與圖形管線共享數據資源。
並行處理
[編輯]着色器被用來同時處理大量的數據，比如屏幕上的一整塊像素群，或者一個模型結構的所有頂點。並行計算適用於這樣的情況，而且當今的GPU也設計有多核結構來極大的提高處理效率。
編程
[編輯]用於編寫着色器的編程語言取決於目標環境。官方的OpenGL和OpenGL ES着色語言是OpenGL着色語言，也稱為GLSL，官方的Direct3D着色語言是高級着色器語言，也稱為HLSL。Cg是英偉達開發的第三方着色語言，可輸出OpenGL和Direct3D着色器；然而，自2012年以來，它一直被棄用。蘋果發布了自己的着色語言，稱為Metal着色語言，作為Metal框架的一部分。
GUI 着色器編輯器
[編輯]現代電子遊戲開發平台，如 Unity，Unreal Engine 和 Godot 越來越多的包含了基於節點的編輯器，允許創建着色器而無需編寫實際的代碼。向用戶展現了包含相互連接的節點的有向圖，允許用戶將各種各樣的紋理，映射和數學函數直接導向輸出值，如漫反射顏色，高亮和強度，金屬度/粗糙度，高度，法向量等。自動將這些圖編譯為實際的已編譯的着色器。
另見
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Best Practices Memo. Cra.org. [2014-05-01]. （原始內容存檔於2014-05-02）.
- ^ The RenderMan Interface Specification. （原始內容存檔於2019-06-16）.
- ^ Pipeline Stages (Direct3D 10) (Windows). msdn.microsoft.com. [2021-09-15]. （原始內容存檔於2010-05-21）.
- ^ 存档副本. [2018-06-25]. （原始內容存檔於2021-04-24）.
拓展閱讀
[編輯]- GLSL （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）: OpenGL Shading Language @ Lighthouse 3D - GLSL Tutorial
- Steve Upstill: The RenderMan Companion: A Programmer's Guide to Realistic Computer Graphics, Addison-Wesley, ISBN 0-201-50868-0
- David S. Ebert, F. Kenton Musgrave, Darwyn Peachey, Ken Perlin, Steven Worley: Texturing and modeling: a procedural approach, AP Professional, ISBN 0-12-228730-4. Ken Perlin is the author of Perlin noise, an important procedural texturing primitive.
- Randima Fernando, Mark Kilgard. The Cg Tutorial: The Definitive Guide to Programmable Real-Time Graphics, Addison-Wesley Professional, ISBN 0-321-19496-9
- Randi J. Rost: OpenGL Shading Language, Addison-Wesley Professional, ISBN 0-321-19789-5
- Riemer's DirectX & HLSL Tutorial （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）: HLSL Tutorial using DirectX with lots of sample code
- GPGPU: general purpose GPU
- MSDN: Pipeline Stages (Direct3D 10) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
外部連結
[編輯]- Geometry shader tutorial （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- nVidia releases a new programming environment （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） and language compiler specifically for writing science applications that run on the shader units of its graphics cards. Also see developer's home page （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
- OpenGL geometry shader extension
