Shader-ohjelma

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

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

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

Offline-renderöinti

• RenderMan Shading Language
• Houdini-ohjelmiston VEX
• Gelato-ohjelmiston kieli
• Open Shading Language

Reaaliaikainen renderöinti

• ARB assembly language, Khronos Group
• OpenGL shading language (GLSL, GLSLang), standardoitu
• Cg, Nvidia^[28]
• HLSL, (High-Level Shading Language), Microsoft
• PlayStation Shader Language, Sony^[20]
• Metal Shading Language, Apple^[29]