Jörn Loviscach Hochschule Bremen

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1 Programmierbare Hardware-Shader Jörn Loviscach Hochschule Bremen

2 Überblick Vertex- und Pixel-Shader Anwendungsbeispiele fx-dateien Anwendungsbeispiele Zusammenfassung

3 Puffer Vertex- und Pixel-Shader Hardware-Renderpipeline klassisch CPU Transf., Beleuchtg., Proj. Clipping, w-division Triangle Setup, Rasterung Texturierung, Nebel Alpha, Tiefentest

4 Puffer Puffer Vertex- und Pixel-Shader Hardware-Renderpipeline klassisch aktuell CPU Transf., Beleuchtg., Proj. Clipping, w-division Triangle Setup, Rasterung Texturierung, Nebel Alpha, Tiefentest CPU Vertex-Shader Clipping, w-division Triangle Setup, Rasterung Pixel-Shader Alpha, Tiefentest

5 Vertex-Shader kein Zugriff auf andere Vertices kein Erzeugen eines neuen Vertex kein Löschen des Vertex kein Zugriff auf Texturen

6 Vertex-Shader kein Zugriff auf andere Vertices kein Erzeugen eines neuen Vertex kein Löschen des Vertex kein Zugriff auf Texturen Verformungen Verzerrung von Textur-Koordinaten Farbänderung pro Vertex

7 Vertex-Shader Ausführungsumgebung z.b. 16 Eingaberegister Anwendung z.b. 256 Konstanten ALU z.b. 32 Arbeitsregister z.b. 21 Ausgaberegister alle Register: vier Gleitkommawerte

8 Pixel-Shader kein Zugriff auf andere Pixel Bildschirmposition unveränderlich

9 Pixel-Shader kein Zugriff auf andere Pixel Bildschirmposition unveränderlich Zugriff auf Texturen Vertex-Geometriedaten als Input ggf. Ableitungen bzgl. Bildschirm-xy Farbberechnungen Überblendungen Tiefe bzgl. Bildschirm ändern

10 Vertex-/Pixel-Shader Beispiele aus: Nvidia Cg Browser Vertex Noise Procedural Terrain Matrix Palette Skinning Fresnel Demo Detail Normal Maps Bump Reflection Mapping Refractive Dispersion

11 Vertex-/Pixel-Shader Programmierung maximal z.b. 256 Befehle meist vier float (32 Bit) als Vektor Swizzle :... = C[95].xwzx Write Mask : R[10].xz =... Schleifen, Unterprogramme, Sprünge mit Einschränkungen Geometriebefehle Texturabfragen (Pixel-Shader)

12 Vertex-/Pixel-Shader Performance (nur Vertex-Shader) GeForce 3 Ti 200 GeForce 4 Ti 4200 GeForce FX *0160 MFLOPS 4*0470 MFLOPS 4*1100 MFLOPS Parallelität: z.b. vier Vertex-Shader-Einheiten, acht Pixel-Shader-Einheiten

13 Vertex-/Pixel-Shader Assembler DirectX OpenGL ARB proprietär

14 Vertex-/Pixel-Shader Assembler DirectX OpenGL ARB proprietär Hochsprachen Nvidia Cg DirectX HLSL OpenGL SLang Demo: Nvidia Cg Browser

15 Vertex-/Pixel-Shader Beispiele Qbist2: prozedurale Echtzeit-Videos genetische Suche nach Bild-Algorithmen evolutionäres Design von Materialien

16 .fx-dateien

17 .fx-dateien fx: Effects Materialien zuzuweisen und einzustellen soll kein Job für Programmierer sein, sondern für Designer! komplette Programmierung eines Materials als.fx-textdatei

18 .fx-dateien Vertex- und Pixel-Shader-Quellcode Alpha, z-vergleich etc. als Textkommando ggf. mehrere Durchgänge (Passes) ggf. mehrere Techniken (Techniques) Eingabegrößen (vor allem Matrizen) grafische Oberfläche Demo: Nvidia CgFX Viewer

19 .fx-dateien Arbeitsablauf in 3D-Software (Maya, XSI, 3ds max): Modelle bauen.fx-materialien zuweisen mit Echtzeitvorschau einstellen in Game-Engine: Modelle laden.fx-materialien laden Modelle mit jeweiligen.fx rendern

20 .fx-dateien.fx-frameworks Microsoft DirectX 9: direkt fx-dateien verwendbar Nvidia CgFX: Anbindung an OpenGL und DirectX Demo:.fx in Managed DirectX

21 .fx-dateien Beispiel: C4Dfx Besonderheiten:.fx in Datei rendern Grafikkarte auch für Offline-Rendering (siehe Maya) dazu Emulation des Standard-Materials als.fx-datei im Speicher

22 .fx-dateien Beispiel: C4Dfx Emulation Demo: interne.fx-datei Bump-Map zu Normal-Map Environment-Map von Kugel auf Würfel Glanzlicht-Form als Textur für Schatten Tiefen-Map gerendert

23 .fx-dateien Benchmarks zu C4Dfx time for 10 frames (seconds) time (seconds) time for 10 frames (seconds) Cinema 4D C4Dfx frame size (million pixels) number of frames number of polygons

24 Zusammenfassung

25 Zusammenfassung Vertex- und Pixel-Shader machen große Teile der Render-Pipeline programmierbar

26 Zusammenfassung Vertex- und Pixel-Shader machen große Teile der Render-Pipeline programmierbar Programmiermodell auf Geometrieund Farbverarbeitung gerichtet

27 Zusammenfassung Vertex- und Pixel-Shader machen große Teile der Render-Pipeline programmierbar Programmiermodell auf Geometrieund Farbverarbeitung gerichtet ungestörte Parallelität

28 Zusammenfassung Vertex- und Pixel-Shader machen große Teile der Render-Pipeline programmierbar Programmiermodell auf Geometrieund Farbverarbeitung gerichtet ungestörte Parallelität hohe Leistung

29 Zusammenfassung Vertex- und Pixel-Shader machen große Teile der Render-Pipeline programmierbar Programmiermodell auf Geometrieund Farbverarbeitung gerichtet ungestörte Parallelität hohe Leistung.fx-Dateien als Mittel, komplexe Materialien zu bündeln, auszutauschen und für Designer zugänglich zu machen

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