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Shader Language

热度:59   发布时间:2023-09-30 08:37:38.0

顶点和片段处理器被分离成可编程单元,可编程顶点处理器是一个硬件单元,可以运行顶点程序,而可编程片段处理器则是一个可以运行片段程序的单元。顶点和片段处理器都拥有非常强大的并行计算能力,并且非常擅长于矩阵(不高于 4 阶)计算,片段处理器还可以高速查询纹理信息(目前顶点处理器还不行,这是顶点处理器的一个发展方向)。

如上所述,顶点程序运行在顶点处理器上,片段程序运行在片段处理器上,哪么它们究竟控制了 GPU 渲染的哪个过程。图 8 展示了可编程图形渲染管线。

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对比上一章图 3 。中的 GPU 渲染管线,可以看出,顶点着色器控制顶点坐标转换过程;片段着色器控制像素颜色计算过程。这样就区分出顶点着色程序和片段着色程序的各自分工: Vertex program 负责顶点坐标变换; Fragment program负责像素颜色计算;前者的输出是后者的输入。

图 9 展示了现阶段可编程图形硬件的输入\输出。输入寄存器存放输入的图元信息;输出寄存器存放处理后的图元信息;纹理 buffer 存放纹理数据,目前大多数的可编程图形硬件只支持片段处理器处理纹理;从外部宿主程序输入的常量放在常量寄存器中;临时寄存器存放着色程序在执行过程中产生的临时数据。

Shader Language

Vertex Shader Program

顶点着色程序从 GPU 前端模块(寄存器)中提取图元信息(顶点位置、法向量、纹理坐标等),并完成顶点坐标空间转换、法向量空间转换、光照计算等操作,最后将计算好的数据传送到指定寄存器中;然后片断着色程序从中获取需要的数据,通常为 “纹理坐标、光照信息等 ” ,并根据这些信息以及从应用程序传递的纹理信息(如果有的话)进行每个片断的颜色计算,最后将处理后的数据送光栅操作模块。图 10 展示了在顶点着色器和像素着色器的数据处理流程。在应用程序中设定的图元信息(顶点位置坐标、颜色、纹理坐标等)传递到 vertex buffer 中;纹理信息传递到 texture buffer 中。其中虚线表示目前还没有实现的数据传递。当前的顶点程序还不能处理纹理信息,纹理信息只能在片断程序中读入。顶点着色程序与片断着色程序通常是同时存在,相互配合,前者的输出作为后者的输入。不过,也可以只有顶点着色程序。如果只有顶点着色程序,那么只对输入的顶点进行操作,而顶点内部的点则按照硬件默认的方式自动插值。例如,输入一个三角面片,顶点着色程序对其进行 phong 光照计算,只计算三个顶点的光照颜色,而三角面片内部点的颜色按照硬件默认的算法( Gourand 明暗处理或者快速 phong 明暗处理)进行插值,如果图形硬件比较先进,默认的处理算法较好(快速 phong 明暗处理),则效果也会较好;如果图形硬件使用 Gourand 明暗处理算法,则会出现马赫带效应(条带化)。而片断着色程序是对每个片断进行独立的颜色计算,并且算法由自己编写,不但可控性好,而且可以达到更好的效果。由于 GPU 对数据进行并行处理,所以每个数据都会执行一次 shader 程序程序。即,每个顶点数据都会执行一次顶点程序;每个片段都会执行一次片段程序。

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Fragment Shader Program

片断着色程序对每个片断进行独立的颜色计算,最后输出颜色值的就是该片段最终显示的颜色。可以这样说,顶点着色程序主要进行几何方面的运算,而片段着色程序主要针对最终的颜色值进行计算.

片段着色程序还有一个突出的特点是:拥有检索纹理的能力。对于 GPU 而言,纹理等价于数组,这意味着,如果要做通用计算,例如数组排序、字符串检索等,就必须使用到片段着色程序。让顶点着色器也拥有检索纹理的能力,是目前的一个研究方向。

附:什么是片断?片断和像素有什么不一样?所谓片断就是所有的三维顶点在光栅化之后的数据集合,这些数据还没有经过深度值比较,而屏幕显示的像素都是经过深度比较的

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