Вступ

Що таке фрагментний шейдер?

У попередньому розділі ми описали шейдери як еквівалент пресу Гутенберга для графіки. Чому? І що ще важливіше: що таке шейдер?

Якщо у вас уже є досвід малювання за допомогою комп'ютера, то ви знаєте, що в цьому процесі ви, умовно кажучи, спочатку малюєте коло, потім прямокутник, лінію, ще кілька трикутників і так далі, доки не отримаєте потрібне зображення. Цей процес дуже схожий на написання листа чи книги від руки – це набір інструкцій, які послідовно виконують одне завдання за іншим.

Шейдери також є набором інструкцій, але вони виконуються одночасно для кожного пікселя на екрані. Це означає, що код, який ви пишете, має поводити себе по-різному залежно від положення пікселя на екрані. Подібно до печатного преса, ваша програма працюватиме як функція, яка отримує координати пікселя та повертає колір. Після компіляції вона працюватиме надзвичайно швидко.

Чому шейдери швидкі?

Щоб відповісти на це питання, я розповім про чудеса паралельних обчислень.

Уявіть центральний процесор вашого комп'ютера у вигляді великої промислової труби, а кожне завдання як щось, що проходить крізь неї, як через фабричну лінію. Деякі завдання більші за інші, а це означає, що для їх вирішення потрібно більше часу та енергії. В комп'ютерному сенсі ми скажемо, що їм потрібна більша обчислювальна потужність. Через особливості архітектури комп'ютерів завдання виконуються послідовно, тобто по черзі. Сучасні комп'ютери зазвичай мають групи з кількох процесорів, які працюють як ці труби, виконуючи завдання одне за одним, щоб забезпечити безперебійну роботу. Кожна подібна труба також називається потоком.

Відеоігри та інші графічні програми вимагають набагато більшої обчислювальної потужності, ніж інші програми. Через свій графічний контент їм доводиться виконувати величезну кількість попіксельних операцій. Необхідно обчислити кожен окремий піксель на екрані, а в 3D-іграх також потрібно обчислити усю геометрію і перспективу.

Повернемося до нашої метафори про труби та завдання. Кожен піксель на екрані представляє просте маленьке завдання. Окремо такі завдання не є проблемою для CPU, але проблема в тому, що кожне крихітне завдання потрібно виконати для кожного пікселя на екрані! Це означає, що на старому екрані з роздільною здатністю 800x600 потрібно обробляти 480 000 пікселів на 1 кадр оновлення, що становить близько 14 400 000 обчислень за секунду! О, так! Це достатньо велика проблема, щоб перенавантажити мікропроцесор. У сучасному дисплеї Retina 2880x1800, що оновлюється зі швидкістю 60 кадрів на секунду, ця кількість обчислень за секунду складе 311 040 000. Як інженери графічних систем розв'язують цю проблему?

Ось коли паралельні обчислення стають хорошим рішенням. Замість того, щоб мати пару великих і потужних мікропроцесорів, або труб, розумніше мати багато маленьких мікропроцесорів, що працюють паралельно. Саме так і влаштовано графічний процесор (GPU).

Уявіть крихітні мікропроцесори у вигляді столу із труб, а дані кожного пікселя як кульку для пінг-понгу. 14 400 000 кульок для пінг-понгу за секунду можуть закупорити майже будь-яку трубу. Але стіл з крихітними трубками розміром 800x600, зможе спокійно прийняти 30 хвиль по 480 000 пікселів за секунду і працюватиме безперебійно. Те ж саме і з прикладом вищої роздільної здатності - чим більше у вас обладнання, що працює паралельно, тим більшим потоком воно зможе керувати.

Ще одна "суперздатність" графічного процесора — це спеціальні математичні функції, прискорені за допомогою апаратного забезпечення. Тож складні математичні операції вирішуються безпосередньо мікрочіпами, а не програмним забезпеченням. Це означає надшвидкі тригонометричні та матричні операції - настільки швидкі, наскільки швидко може рухатися електрика.

Що таке GLSL?

GLSL розшифровується як OpenGL Shading Language і є спеціальним стандартом шейдерних програм, які ви побачите в наступних розділах. Залежно від апаратного забезпечення та операційної системи існують різні типи шейдерів. Ми працюватимемо зі специфікаціями OpenGL, які регулює Khronos Group. Розуміння історії OpenGL може бути корисним для розуміння більшості його дивних конвенцій. Для цього я рекомендую переглянути наступне посилання: openglbook.com/chapter-0-preface-what-is-opengl.html

Чому шейдери такі болючі?

Як сказав дядько Бен, "з великою силою приходить велика відповідальність" і паралельні обчислення дотримуються цього правила. Потужний архітектурний дизайн графічного процесора має власні обмеження.

Щоб працювати паралельно, кожен канал або потік має бути незалежним від будь-якого іншого потоку. Ми кажемо, що потоки сліпі стосовно того, що роблять інші потоки. Це обмеження означає, що всі дані повинні рухатись в одному напрямку. Тому неможливо перевірити результат іншого потоку, змінити вхідні дані або передати результат одного потоку в інший потік. Спроба дозволу міжпотокових зв'язків ставить під загрозу цілісність даних.

Крім того, GPU підтримує свої мікропроцесори (труби) постійно зайнятими. Як тільки вони звільняються, вони отримують нову інформацію для обробки. Потоку неможливо дізнатися, що він робив у попередній момент. Це могло бути малювання кнопки інтерфейсу операційної системи, потім рендеринг частини неба із гри, а потім зображення тексту електронного листа. Кожен потік є не лише сліпим, а й безпам'ятним. Окрім абстракції, необхідної для кодування загальної функції, яка змінює результат в залежності від положення пікселя, сліпота і безпам'ятство роблять шейдери не дуже популярними серед програмістів-початківців.

Не хвилюйтесь! У наступних розділах ми крок за кроком розглянемо шейдерні обчислення від простого до складного. Якщо ви читаєте книгу в сучасному браузері, то оціните можливість взаємодії з інтерактивними прикладами. Тож давайте більше не відкладати веселощі та натискайте на посилання Next >>, щоб перейти до програмування!