Advanced Computer Graphics 4. Übung

Transkript

1 Advanced Computer Graphics 4. Übung M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 1

2 Gliederung 1. OpenGL Shader Programme 2. Erzeugen, Kompilieren und Linken von OpenGL Shadern 3. Vertex Shader 4. Fragment Shader 5. Spezielle Datentypen, Variablen und Konstrukte in GLSL M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 2

3 OpenGL Shader Programme OpenGL verwendet folgende logische Grafikpipeline: Vertexshader Tessellationshader Geometryshader programmierbar Framebuffer Fragmentshader Rasterisierung Nicht programmierbar Früher: spezielle Hardwareeinheiten für jede Stufe Heute: Unified Shader Einheiten für alle Stufen, logische Separation Ausgabe Ermöglichen hardwarenahe GPU Programmierung In der Übung: Konzentration auf Vertex- und Fragmentshader (Optionale Stufen Tessellation/Geometry können entfallen) Verwenden OpenGL Shader Language (GLSL) zur Programmierung M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 3

4 GLSL C++-ähnliche Syntax und atomare Datentypen (float, int, usw.) Zusätzliche Datentypen für Grafikprogrammierung und Rechenoperationen Float- und Integer-Vektortypen (vec2, vec3, vec4, ivec2, ivec3, ivec4) Matrizentypen (mat2, mat3, mat4) Mathematische Hilfsfunktionen Quadratwurzel (sqrt), Potenz (pow), Trigonometrie (sin, cos, tan, atan, usw.) Vektorgeometrie: Skalarprodukt (dot), Kreuzprodukt (cross), euklidische Vektorlänge (length), Einheitsvektorberechnung (normalize), usw. Spezifische Variablen mit Renderinfos, oder zum Übergeben von Ergebnissen an nachfolgende Stufen M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 4

5 Hardwarelimitationen von Shadern Shader verwenden lokales (in Gruppen von bspw. 32 Shader-Einheiten) SIMD-Modell Große Datenmengen parallel bearbeitbar Alle Shader einer Gruppe müssen die gleichen Befehle ausführen in einem Takt Probleme bei verzweigendem Kontrollfluss (Schleifenabbrüche, if/else Statements) Sehr hohe Fließkomma-Performanz bei Multiplikationen und Additionen ABER: Divisionen und Spezialfunktionen (Wurzel, Trigonometrie, usw.) teuer! (verwenden spezielle, deutlich geringer vorhandene Funktionseinheiten) Limitationen bei nutzbarem lokalen Speicher (im KByte Bereich) Begrenzte Anzahl an Instruktionen in einem Programm Nicht beliebig viele Variablen-, Input-, Outputdefinitionen usw. möglich Auf aktueller Hardware nicht mehr so restriktiv ABER: Kann Hardwarebelegung beeinflussen (Shader-Occupancy) Anzahl gleichzeitig laufender Threads M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 5

7 Erzeugung und Kompilierung von OpenGL Shader Stufen Einzelne Shaderobjekte müssen für die jeweilige Shaderstufe angelegt werden: GLuint vertexshader = glcreateshader(gl_vertex_shader); GLuint fragmentshader = glcreateshader(gl_fragment_shader); Anschließend muss der GLSL-Quelltext als String zugewiesen werden: glshadersource(gluint shaderid, GLsizei count, const GLchar *const *sources, const GLint *length); shaderid count sources length ID des OpenGL Shaderobjektes Anzahl der Strings ( mehrere getrennte Quelltexte können zugewiesen werden) Array von Quelltext Strings der Länge count Array, welches die Längen der einzelnen Quelltext Strings enthält (kann NULL sein) Die einzelnen Shaderstufen müssen kompiliert werden: glcompileshader(gluint shaderid); GLSL wird nicht mit der Anwendung kompiliert, sondern zur Laufzeit durch OpenGL M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 7

8 Erzeugung von OpenGL Shader Programmen Verknüpfung der einzelnen Shaderstufen zu einem Program: GLuint programid = glcreateprogram(); glattachshader(gluint programid, GLuint shaderid); Zum Abschluss ist das Programm zu linken: gllinkprogram(gluint programid); Drawcalls verwenden das jeweils zuletzt gebundene Programm zum Zeichnen: gluseprogram(gluint programid); Unbinds erfolgen wieder mit ID 0 (Analog Buffer/Vertex Arrays) VORSICHT: Beim Kompilieren und/oder Linken können Fehler auftreten, was separat abgefragt werden muss (Hausaufgabe) M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 8

10 Vertex Shader Erste Shaderstufe, erhält Vertices als Input Jeder Aufruf eines Vertex-Shaders bearbeitet ein Vertex (einen Satz aus vorher definierten Vertex-Attributen) Generell für Vertex-Transformationen/pro-Vertex-Berechnungen (bspw. Gouraud- Shading) Bestimmt die Bildraumposition welche an den Rasterisierer weitergegeben wird vorgegebene Variable gl_position muss immer gesetzt werden, sonst Fehler beim Kompilieren/Linken Vertices werden vor Rasterstufe verworfen oder ersetzt, wenn gl_position außerhalb des gültigen Bildraums M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 10

11 Vertex Shader Vertex-Shader erhält als erste Stufe je einen Satz vorher definierter Vertex-Attribute Müssen vorher durch glvertexattribpointer festgelegt werden Entsprechende Puffer müssen gebunden sein Foliensatz von Übung 1 Bevor das Programm gelinkt wird, muss OpenGL mitgeteilt werden, welche Inputs im Vertex-Shader welchem Attributsindex entsprechen: glbindattriblocation (GLuint programid, GLuint index, const GLchar *name); Input Typen müssen nicht den tatsächlichen Attributtypen entsprechen Bspw. kann ein 2-Komponenten-Fließkomma-Attribut als vec4 im Vertexshader deklariert werden die 3. und 4. Komponente ist nicht definiert aber die ersten beiden sind korrekt Datentypen werden beim Lesen konvertiert (bspw. Integer->float) Fehleranfällig Empfehlung: Selbe Typen wie die tatsächlichen Vertexattribute benutzen M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 11

12 Vertex Shader Inputs Attribut auf Index 0 mit 3 Komponenten, Fließkomma glvertexattribpointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0); glenablevertexattribarray(0); Vertex Attribut C++ Vertex Shader Bindings glbindattriblocation(program, 0, example_position ); in vec3 example_position; Vertex Shader Input GLSL M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 12

13 Vertex Shader Inputs Attribut auf Index 5 mit 1 Komponente, Integer glvertexattribpointer(5, 1, GL_INT, GL_FALSE, 0, 0); glenablevertexattribarray(5); Vertex Attribut C++ Vertex Shader Bindings glbindattriblocation(program, 5, example_integer ); in int example_integer; Vertex Shader Input GLSL M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 13

14 Vertex Shader Inputs Attribut auf Index 4 mit 2 Komponenten, Fließkomma glvertexattribpointer(4, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0); glenablevertexattribarray(4); Vertex Attribut C++ Vertex Shader Input GLSL layout(location = 4) in vec2 example_vec2; Neuere Semantik (ab GLSL 3.30, OpenGL 3.30) Erlaubt Weglassen des 2. Schritts und freie Namenswahl im Shader M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 14

15 Vertex Shader - Beispiel #version 150 uniform mat4 projection; in vec3 vertex_position; out vec3 worldpos; Versionsnummer (Konfiguration des Shadercompilers) Uniform vom Typ 4x4-Floating-Point Matrix In allen Shaderinstanzen gleich Input aus Vertex-Attribut (Index muss mittels glbindattriblocation gesetzt werden) Output zur nächsten Shaderstufe void main() { } worldpos = position; gl_position = projection * vec4(position, 1.f); Eintrittspunkt des Shaderprogramms Setzen der eigenen Ausgabevariablen Eingebaute GLSL-Variable gl_position muss gesetzt werden M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 15

16 Vertex Shader - Beispiel (2. Möglichkeit) #version 330 uniform mat4 projection; layout(location = 0) in vec3 position; out vec3 worldpos; Versionsnummer (Konfiguration des Shadercompilers) Uniform vom Typ 4x4-Floating-Point Matrix In allen Shaderinstanzen gleich Input aus Vertex-Attribut location (Index bei glvertexattribpointer) Output zur nächsten Shaderstufe void main() { } worldpos = position; gl_position = projection * vec4(position, 1.f); Eintrittspunkt des Shaderprogramms Setzen der eigenen Ausgabevariablen Eingebaute GLSL-Variable gl_position muss für den Rasterisierer gesetzt werden! M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 16

18 Fragment Shader Letzte Shaderstufe, erhält Pixelkandidaten (Fragmente) als Input Jeder Aufruf eines Fragment-Shaders bearbeitet ein Fragment (ein rasterisiertes Pixel und zugehörige interpolierte Attribute aus vorherigen Stufen) Generell für Pixelmanipulationen (Farbfilter)/pro-Pixel-Operationen (Phong-Shading) Bestimmt Pixelwerte der Outputs (Farben, ggf. Tiefe) Hat verschiedene Kontrollmöglichkeiten wie Verwerfen von Pixelkandidaten Veränderung der Pixeltiefe Kann nicht die finale xy-pixelposition verändern M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 18

19 Fragment Shader Schreibt in für das Programm definierte Puffer Framebuffer Müssen vor dem Linken durch glbindfragdatalocation festgelegt werden Entsprechende Puffer müssen im aktuellen Framebuffer vorhanden sein Tiefenpuffer hat speziellen, nicht frei definierbaren Zugriff Aktuell kennen wir nur den Fenster-Framebuffer 1 Farbpuffer und 1 Tiefenpuffer Aufruf vor dem Linken für Output-Konfiguration: glbindfragdatalocation(gluint programid, GLuint color, const GLchar *name); Output Typen müssen nicht den tatsächlichen Puffer-Datentypen entsprechen Bspw. kann ein RGB-Puffer als vec4 im Fragmentshader definiert werden 4. Komponente wird beim Schreiben ignoriert Datentypen werden beim Schreiben konvertiert Fehleranfällig Empfehlung: Selben Datentyp wie im Puffer verwenden M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 19

20 Fragment Shader Outputs Outputs in Fensterpuffer GLenum buffs[] = { GL_BACK_LEFT, // Index 0 }; gldrawbuffers(1, buffs); Fragment Shader Bindings Draw Outputs C++ glbindfragdatalocation(program, 0, window_color ); out vec4 window_color; Fragment Shader Input GLSL In den meisten Implementierungen ist der Fensterpuffer automatisch auf Index 0 Konfiguration kann weggelassen werden, sofern Shader in Fensterpuffer schreibt M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 20

21 Fragment Shader Outputs Outputs in Puffer 0, 2 und 5 GLenum buffs[] = { GL_COLOR_ATTACHMENT0, // Index 0 GL_COLOR_ATTACHMENT2, // Index 1 GL_NONE, // Index 2 GL_COLOR_ATTACHMENT5 // index 3 }; gldrawbuffers(4, buffs); Fragment Shader Bindings out vec3 color0; out vec4 color2; out int color5; Draw Outputs M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 21 C++ glbindfragdatalocation(program, 0, color0 ); glbindfragdatalocation(program, 1, color2 ); glbindfragdatalocation(program, 3, color5 ); Fragment Shader Input GLSL

22 GLSL-Beispiel: Fragment Shader #version 150 uniform vec3 color; in vec3 worldpos; out vec4 finalcolor; void main() { finalcolor = vec4(color, 1.f); } Versionsnummer (Konfiguration des Shadercompilers) Uniform vom Typ 3-Komponenten-Floating-Point-Vektor In allen Shaderinstanzen gleich Input aus der letzen Shaderstufe (Rasterisierer linear interpolierte Werte aus den Vertex Attributen) Ausgabe des Fragment Shaders (Index sollte mittels glbindfragdatalocation gesetzt werden) Eintrittspunkt des Shaderprogramms Setzen der Ausgabe M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 22

23 GLSL-Beispiel: Fragment Shader (2. Möglichkeit) #version 330 uniform vec3 color; in vec3 worldpos; layout(location = 0) out vec4 finalcolor; void main() { finalcolor = vec4(color, 1.f); } Versionsnummer (Konfiguration des Shadercompilers) Uniform vom Typ 3-Komponenten-Floating-Point-Vektor In allen Shaderinstanzen gleich Input aus der letzen Shaderstufe (Rasterisierer linear interpolierte Werte aus den Vertex Attributen) Ausgabe des Fragment Shaders (Letzte Stufe Ausgabe wird in Bildpuffer mit Index location geschrieben) Eintrittspunkt des Shaderprogramms Setzen der Ausgabe M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 23

25 Spezielle Datentypen in GLSL uniform in out Quasi-Konstanten: Können im CPU-Code durch gluniform für ein Programmobjekt gesetzt werden und sind garantiert für einen Drawcall in jeder Shaderinstanz gleich Inputs von der vorhergehenden Shaderstufe (Vertex-Attribute bei Vertex-Shader) Variablennamen müssen identisch sein zwischen den Stufen. Outputs an die nächste Shaderstufe (Bildpuffer-Ausgabe bei Fragment-Shader) Layout Qualifier layout(): Ermöglichen spezielle Konfiguration von Variablen Verwenden in der Übung alte Semantik für Inputs und Outputs, layout(location = i) kann wahlweise bei vorhandener Unterstützung verwendet werden M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 25

26 Wichtige Variablen und Befehle in GLSL gl_position Teilt dem Rasterisierer die zu verwendende Vertex-Position mit (4- dimensionale homogene Bildraumkoordinate). Muss im Vertexshader gesetzt werden! gl_fragcoord gl_fragcolor gl_fragdepth discard 3-Komponenten-Vektor mit Fragment-Viewport-xy-Koordinaten im Bereich [(vvvv xx, vvvv yy ); (vvvv xx + vvvv ww, vvvv yy + vvvv h )] (glviewport(vvvv xx, vvvv yy, vvvv ww, vvvv h )) und z- Wert im Bereich [0;1] Ältere Möglichkeit zum Setzen der Fragment-Ausgabe. Setzen überschreibt die aktuelle Fragmenttiefe (beeinflusst Tiefentest, im Bereich [0;1]). Bricht einen Fragmentshader sofort ab und verwirft das bearbeitete Fragment M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 26

27 Swizzle Masks Zugriffe auf einzelne Vektorkomponenten kann über [ ]-Operator erfolgen GLSL enthält Komfortzugriffe durch swizzling : vec3 testvec = vec3(1, 2, 3); float x = testvec.x; float y = testvec.y; float z = testvec.z; // x == 1, y == 2, z == 3 vec3 copyvec = testvec.zyx; // copyvec == (3, 2, 1) vec4 copyvec2 = testvec.zxxy; // copyvec2 == (3, 1, 1, 2) testvec.zxy = copyvec2.wwx; // testvec == (2, 3, 2) Neben xyzw sind rgba und stpq valide Swizzle Masks ABER: Mischformen sind laut GLSL-Standard nicht valide, d.h. bspw. xgpw sollte nicht kompilieren (auf meiner NVIDIA geht s trotzdem ;)) M.Sc. Tristan Nauber Advanced Computer Graphics: Übung 4 27