Początki

Czym jest fragment shader?

W poprzednim rozdziale nazwaliśmy shadery ekwiwalentem prasy drukarskiej Gutenberga dla grafiki. Dlaczego? A co ważniejsze: czym jest shader?

Jeżeli masz doświadczenie w rysowaniu z użyciem komputera (np. w Paint), to wiesz, że proces ten polega na rysowaniu kółek, prostokątów, linii oraz trójkątów do momentu skomponowania pożądanego obrazu. Proces ten jest bardzo podobny do pisania listów lub książek odręcznie - jest to zbiór instrukcji wykonujących zadanie po zadaniu.

Shader również jest zbiorem instrukcji, ale wykonywanych równocześnie dla każdego piksela na ekranie. Oznacza to, że kod, który piszesz musi działać inaczej w zależności od pozycji piksela na ekranie. Podobnie jak maszyna drukarska, twój program będzie działał jak funkcja matematyczna otrzymująca pozycję piksela i zwracająca jego kolor. Po skompilowaniu twój program będzie działał błyskawicznie.

Dlaczego shadery są szybkie?

Aby odpowiedzieć na pytanie, omówmy cud przetwarzania równoległego (ang. parallel processing)

Wyobraź sobie procesor twojego komputera jako potok przetwarzania (ang. "pipeline"), przez który przechodzą różnorakie zadania (jak na linii produkcyjnej w fabryce). Niektóre zadania są większe od innych, co oznacza, że wymagają więcej czasu i energii. Mówimy wtedy, że wymagają więcej mocy obliczeniowej (ang. processing power). Ze względu na architekturę współczesnych komputerów, zadania te wykonują się seryjnie (jeden po drugim) - każde zadanie musi poczekać, dopóki poprzednie zadanie nie zostanie ukończone. Jednakże, współczesne komputery posiadają zwykle więcej niż jedną jednostkę przetwarzającą (np. 2, 4 lub 8 rdzeni procesora), które funkcjonują jak pomniejsze potoki przetwarzania. Każdy taki pomniejszy potok nazywany jest również wątkiem (ang. thread).

Gry video i inne aplikacje graficzne wymagają zdecydowanie więcej mocy obliczeniowej niż większość programów, gdyż muszą wykonywać ogromne ilości operacji piksel po pikselu. Nie dość, że każdy pojedynczy piksel musi być obliczony, to w wypadku gier 3D dochodzą do tego obliczenia geometryczne i obliczenie perspektywy.

Wróćmy do naszej metafory potoku przetwarzania. Każdy piksel na ekranie reprezentuje proste zadanie. Indywidualnie zadania te nie stanowią problemu dla CPU, jednak sytuacja zmienia się, gdy takie zadanie musi być wykonane dla każdego piksela na ekranie. Oznacza to, że na starym monitorze 800x600 na jedną klatkę przypada 480.000 obliczeń, co oznacza 14.400.000 obliczeń na jedną sekundę! Właśnie tak! Skala problemu może przeciążyć mikroprocesor. Co więcej, na współczesnym monitorze 2560x1440 przy 60 FPS osiągamy 221.356.800 obliczeń na sekundę. Jak inżynierowie graficzni rozwiązują ten problem?

Z pomocą przychodzi przetwarzanie równoległe. Zamiast kilku dużych, potężnych mikroprocesorów (potoków) lepiej mieć wiele małych mikroprocesorów działających równolegle. Tak właśnie działa procesor graficzny (GPU) w karcie graficznej.

Wyobraź sobie mały mikroprocesor jako tablicę rur (spójrz na obrazek powyżej), a dane jako piłeczki ping pongowe. 14.400.000 piłeczek ping pongowych na sekundę może zablokować prawie każdą pojedynczą rurę. Ale tabela 800x600 malutkich rur przyjmująca co sekundę 30 fal po 480.000 piłeczek poradzi sobie z nimi bez problemu. Tak samo działa to na wyższych rozdzielczościach - im więcej równolegle pracującego hardware'u, tym większy potok, z którymi GPU sobie poradzi.

Inną "super umiejętnością" GPU jest fakt, że złożone funkcje matematyczne wykonywane są bezpośrednio na poziomie hardware'u przez mikroczipy, a nie przez software. Skutkiem tego są super szybkie operacje trygonometryczne i macierzowe.

Czym jest GLSL?

GLSL oznacza "OpenGL Shading Language" i stanowi standard pisania shaderów, który zobaczysz w następnych rozdziałach tej książki. W zależności od hardware'u i systemu operacyjnego wyróżnia się też inne rodzaje shaderów. Tutaj skupimy się na specyfikacji OpenGL uregulowanej przez Khronos Group. Zrozumienie historii OpenGL może pomóc w zrozumieniu wielu dziwnych konwencji; w tym celu polecam zajrzeć do: openglbook.com/chapter-0-preface-what-is-opengl.html.

Dlaczego shadery budzą postrach?

Jak to mówią: "with great power comes great responsibility". Stosuje się to również do obliczeń równoległych - potężne rozwiązania architektoniczne w GPU wiążą się również z pewnymi ograniczeniami.

Aby wątki mogły działać równolegle, muszą być od siebie niezależne. Mówimy, że wątki są ślepe na to, co robi reszta wątków. Ograniczenie to implikuje, że dane muszą "płynąć w ten samą stronę" - nie jest możliwe sprawdzić dane wyjściowe innego wątku, zmodyfikować jego dane wejściowe albo przekazać dane wyjściowe jednego wątku jako dane wejściowe innego.

Poza tym GPU odpowiada za to, żeby każdy wątek miał coś do roboty, i żeby otrzymał dane potrzebne do wykonania tej roboty. Trzeba też pamiętać, że nie jest możliwe, aby wątek wiedział, co robił sekundę temu - mógł rysować przycisk w UI systemu operacyjnego, a potem renderować fragment nieba w grze wideo, a jeszcze potem wyświetlać treść maila. Każdy wątek jest nie tylko ślepy, ale również bez pamięci. Te cechy sprawiają, że pisanie shaderów nie cieszy się dużą popularnością wśród początkujących programistów.

Ale nie martw się! W następnych rozdziałąch nauczymy się, krok po kroku, prostych i zaawansowanych obliczeń shadingowych. Jeżeli czytasz to we współczesnej przeglądarce, to z pewnością docenisz zabawę z interaktywnymi przykładami. Ale nie przedłużajmy! Naciśnij Next>> aby przejść dalej.