Diplomarbeit. Neue Möglichkeiten durch programmierbare Shader. Unter der Leitung von: Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Diplomarbeit. Neue Möglichkeiten durch programmierbare Shader. Unter der Leitung von: Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker"

Andreas Glöckner
vor 6 Jahren
Abrufe

1 Diplomarbeit 5HDO7LPH6SHFLDO (IIHFWV Neue Möglichkeiten durch programmierbare Shader Unter der Leitung von: Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Betreut von: Paul Grimm, Ralf Dörner Beginn: Abgabe:

2 Gliederung des Vortrags: 1. (LQI KUXQJLQGLH7KHPDWLN 2. 0HLQH9RUJHKHQVZHLVH 3. (UJHEQLVVH 4. $XVEOLFN 5. )HHGEDFN 1. (LQI KUXQJLQGLH7KHPDWLN 2

3 Neue Grafikkarten-Generation *H)RUFH von 19,',$ Shader-Programme Erstmals können Teile des Hardware-Rendering- Prozesses SURJUDPPLHUW werden. Diese Programme nennen sich 6KDGHU. Shader werden vollständig auf der GPU ausgeführt. Vorteil: Mehr Flexibilität bei vollständiger Hardware-Beschleunigung 3

4 Shader-Programme (2) Programmierbar sind ]ZHL.RPSRQHQWHQ der Rendering-Pipeline 9HUWH[6KDGHU 3L[HO6KDGHU Beeinflusst die Verarbeitung auf Vertex-Ebene Beeinflusst die Verabeitung auf Pixel-Ebene Vertex Data High-Order Primitive Tesselation Vertex Shader Transform. & Lightning Clipping, Culling, Viewport Mapping, Rasterization GeForce3 Rendering Pipeline [NVID02] Pixel Shader Multi- Texturing Fog Blending Alpha, Stencil & Depth Testing Frame Buffer Blending 4

5 Einige Eigenschaften: 6KDGHU VLQG)XQNWLRQHQ: 9HUWH[/3L[HO 6WUHDP 6KDGHU 7UDQVIRUPLHUWH 9HUWLFHV3L[HO 6KDGHU N QQHQNHLQH'DWHQHU]HXJHQ, VRQGHUQQXUWUDQVIRUPLHUHQ Einige Eigenschaften (2) 6KDGHU VLQG]XVWDQGVORV Die Ausführung eines Shaders für ein Fragment ist also unabhängig von vorherigen Berechnungen. 6KDGHU3URJUDPPHVLQGOLQHDU Verzweigungen im Ausführungspfad sind nicht erlaubt. 5

6 Ziel der Arbeit 'HPRQVWUDWLRQGHU/HLVWXQJVIlKLJNHLW von Vertex- und Pixel-Shadern (durch Entwicklung von Effekt-Prototypen), und %HZHUWXQJ dieser neuen Technik 2. 0HLQH9RUJHKHQVZHLVH 6

7 Drei Schritte 1. Verschiedene Studien zur Aneignung von Basiswissen 2. Entwicklung einfacher Prototypen 3. Dokumentation der Zwischenergebnisse Studie über Real-Time-Rendering: Wie sah Hardware-Beschleunigung bisher aus? Welche Spezialeffekte waren bisher möglich? Welche Ansätze für programmierbare Grafik- Architekturen gab es bisher? 7

8 Studie über Shader-Sprachen Welche Shader-Sprachen gibt es? Wo liegen die Unterschiede/Gemeinsamkeiten? Fokus auf Shader-Sprachen für Real-Time Rendering Studie über Vertex- und Pixel-Shader Wie ist die GeForce3 aufgebaut? Wie funktionieren 9HUWH[- und 3L[HO6KDGHU? Wie wurden die Shader-Sprachen in DirectX8 und OPENGL implementiert? 8

9 Studie über Shader-Demos Welche neuen Effekte wurden bisher mit der neuen Technik realisiert? Wie wurden diese Effekte realisiert? Demos im Nvidia Effects-Browser Beispiele: Sinuswellen Deformation Fell mit Per-Pixel-Lightning Toon Shading, Rainbow Rendering Lichtbrechung 9

10 Entwicklung einfacher Prototypen Programmiersprache: C++ API: DirectX8.1 Grafikkarte: GeForce3 1. Entwicklung von Prototypen auf Basis H[LVWLHUHQGHU Shader-Demos 2. Entwicklung HLJHQHU Effekte (vom Entwurf bis zur Implementierung) 3. (UJHEQLVVH 10

11 Entwickelte Prototypen Einfache Effekte (Lichtbrechung, Deformation, Morphing, Cartoon-Shading) Gras-Simulation Wasser-Simulation Simulation von Gras 11

12 Gras Bewegung durch Rotation von Vertices Stark vereinfachte Beleuchtungsrechnung Steuerung durch Parameter: Windrichtung Stärke Frequenz und Amplitude der Windschwankung Gras (Besonderheiten) Selektion von Vertices durch neues Attribut relative Höhe (=: +U. Vertices werden rotiert (~ +U ) Relative Höhe Keine Rotation 12

13 Simulation von Wasser Wasserfläche: Wasser 2x Per-Pixel Environment-Mapping (ein Textur für Spiegelung, eine für Brechung) Bewegung: Überlagerung Sinusfunktionen verschiedener Amplituden, Frequenzen und Phasen Hohe Frequenzen: Bump Map Niedrige Frequenzen: Transformation von Vertices 13

14 Ergebnisse der Studien & Dokumentation 1(*$7,9 Vertex- und Pixel-Shader sind sehr aufwendig zu programmieren (Low-Level Assemblersprache) Nicht abstrakt genug: Jede GPU mit Shadern besitzt z. Z. seine eigene Pixel-Shader-Version 1(*$7,9 (Fortsetzung): Beschränkte Möglichkeiten aufgrund knapper Ressourcen (Programmlänge und Register sind zu knapp bemessen) Shader sind QLFKWNRPELQLHUEDU. Es darf immer nur ein Vertex- und ein Pixel-Shader aktiv sein. 14

15 1(*$7,9 (Fortsetzung): Starke Bindung zwischen Applikation und Shader- Programmen erschwert Lesbarkeit, Wartbarkeit und Portabilität beider Programmteile Gegenteil zu Information Hiding 326,7,9 Deutlich flexiblere Rendering-Pipeline mehr Raum für Kreativität Shader-Sprachen sind eleganter erweiterbar, als das alte Steuerungssystem über Flags und Zustände 15

16 326,7,9(Fortsetzung): Schritt in die richtige Richtung: Kommende GPU-Generationen werden die Restriktionen sukzessive aufweichen. 4. $XVEOLFN 16

17 Die nächsten drei Monate Prototyp-Entwicklung: Verfeinerung der Gras- und Wassersimulation Entwicklung nicht-photorealistischer Schattierungsverfahren Prototypische Architektur zur Kombination verschiedener Shader-Effekte Weitere Ideen? (Æ Feedback) Die nächsten drei Monate (2) Bewertung: Diskussion der gemachten Erfahrungen Aufzeigen von Schwächen/Verbesserungsvorschläge Leistungsvergleich mit Off-Line-Techniken (z.b. mit 5HQGHU0DQ von PIXAR), Ausblick auf Kommendes: prozedurale Sprache &Jvon NVIDIA, 'LUHFW; 17

18 5. )HHGEDFN Vielen Dank für eine halbe Stunde Aufmerksamkeit und für Anregungen zum weiteren Verlauf der Arbeit! 18

Ähnliche Dokumente

Seminar Game Development Game Computer Graphics. Einleitung

Seminar Game Development Game Computer Graphics. Einleitung Einleitung Gliederung OpenGL Realismus Material Beleuchtung Schatten Echtzeit Daten verringern Grafik Hardware Beispiel CryEngine 2 Kristian Keßler OpenGL Was ist OpenGL? Grafik API plattform- und programmiersprachenunabhängig