Thema: Hardware-Shader

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Rüdiger Brandt
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1 Seminar Grafikprogrammierung Thema: Hardware-Shader Christian Bauer

2 Überblick Entwicklung Die Shader im Detail Programmierung GPGPU Zusammenfassung & Ausblick

3 1/19 Entwicklung (1) Früher: Berechnung auf der CPU

4 1/19 Entwicklung (1) Früher: Berechnung auf der CPU Probleme: CPU überlastet

5 1/19 Entwicklung (1) Früher: Berechnung auf der CPU Eigenständige GPU Probleme: CPU überlastet

6 1/19 Entwicklung (1) Früher: Berechnung auf der CPU Eigenständige GPU Hardware T&L Probleme: CPU überlastet

7 1/19 Entwicklung (1) Früher: Berechnung auf der CPU Eigenständige GPU Hardware T&L Probleme: CPU überlastet Fehlende Flexibilität Möglichkeiten abhängig von der vorliegenden Hardware

8 2/19 Entwicklung (1) Heute: Hardwareshader parallele Rechenwerke programmierbar spezialisiert auf Grafikanwendungen

9 2/19 Entwicklung (1) Heute: Hardwareshader parallele Rechenwerke programmierbar spezialisiert auf Grafikanwendungen Grafikpipeline im Shader Model 1-3:

10 3/19 Entwicklung (2) Shader Model 4 (DirectX 10)

11 3/19 Entwicklung (2) Shader Model 4 (DirectX 10) Ziele: Weitere Reduktion der CPU-Last Mehr Flexibilität bei Vertex- Manipulation

12 Überblick Entwicklung Die Shader im Detail Programmierung GPGPU Zusammenfassung & Ausblick

13 4/19 Vertexshader (1) Input: ein Vertex Output: genau ein Vertex

14 4/19 Vertexshader (1) Input: ein Vertex Output: genau ein Vertex Anwendungen: Animation Displacement Mapping Kamera-Effekte

15 5/19 Geometryshader (1) Input: primitiver Körper Output: mehrere primitive Körper

16 5/19 Geometryshader (1) Input: primitiver Körper Output: mehrere primitive Körper Anwendungen: Geometry Instancing Fell / Haare Partikelsysteme

17 6/19 Pixelshader (1) Input: ein Pixel Output: ein Pixel

18 6/19 Pixelshader (1) Input: ein Pixel Output: ein Pixel Anwendungen: (Multi-)Texturing Spiegelungen Pixelgenaue Beleuchtung und Schattenwurf

19 7/19 Unified Shader Architecture Problem: ungleichmäßige Auslastung

20 7/19 Unified Shader Architecture Problem: ungleichmäßige Auslastung Lösung: Generische Architektur statt unterschiedlicher Shader-Einheiten

21 Überblick Entwicklung Die Shader im Detail Programmierung GPGPU Zusammenfassung & Ausblick

22 8/19 Programmierung von Shadern: Entwicklung Programmiersprache: Früher: Assembler Heute: Hochsprachen (HLSL,...) IDEs: RenderMonkey NVidia FX Composer...

23 9/19 Programmierung von Shadern: Beispiel Multitexturing Einfache Beleuchtung Graue Fläche Texturierter Würfel

24 10/19 Programmierung von Shadern: Vertexshader Referenzierung der Weltmatrix: float4x4 wvp : WorldViewProjection

25 10/19 Programmierung von Shadern: Vertexshader Referenzierung der Weltmatrix: float4x4 wvp : WorldViewProjection Variablentyp

26 10/19 Programmierung von Shadern: Vertexshader Referenzierung der Weltmatrix: float4x4 wvp : WorldViewProjection Semantic

27 11/19 Programmierung von Shadern: Vertexshader Definition eines eigenen Datentyps: struct VS_Object { float4 Position : POSITION0; float2 TexCoord : TEXCOORD0; };

28 11/19 Programmierung von Shadern: Vertexshader Definition eines eigenen Datentyps: struct VS_Object { float4 Position : POSITION0; float2 TexCoord : TEXCOORD0; }; Typ-Definition

29 12/19 Programmierung von Shadern: Vertexshader Das Vertexshaderprogramm: VS_Object VS_Main( VS_Object In ) { VS_Object Out; Out.Position = mul(in.position, wvp); Out.TexCoord = In.TexCoord; return Out; }

30 12/19 Programmierung von Shadern: Vertexshader Das Vertexshaderprogramm: VS_Object VS_Main( VS_Object In ) { VS_Object Out; Out.Position = mul(in.position, wvp); Out.TexCoord = In.TexCoord; return Out; } Intrinsic

31 13/19 Programmierung von Shadern: Pixelshader Texturzugriff: sampler2d Texture1; sampler2d Texture2;

32 13/19 Programmierung von Shadern: Pixelshader Texturzugriff: sampler2d Texture1; sampler2d Texture2; Textursampler

33 14/19 Programmierung von Shadern: Pixelshader Das Pixelshaderprogramm: float4 PS_Main (float2 TexCoord : TEXCOORD0) : COLOR0 { float4 Out = (float4) 0; Out += tex2d(texture1, TexCoord); Out += tex2d(texture2, TexCoord); return Out; }

34 14/19 Programmierung von Shadern: Pixelshader Das Pixelshaderprogramm: float4 PS_Main (float2 TexCoord : TEXCOORD0) : COLOR0 { float4 Out = (float4) 0; Out += tex2d(texture1, TexCoord); Out += tex2d(texture2, TexCoord); return Out; } Farbwert aus Textur

35 Überblick Entwicklung Die Shader im Detail Programmierung GPGPU Zusammenfassung & Ausblick

36 15/19 GPGPU: Leistungsvergleich GPU - CPU Intel QX9770: 4 Kerne 45 GFlops 26 GByte Speicherbandbreite NVidia GeForce 280 GTX:

37 15/19 GPGPU: Leistungsvergleich GPU - CPU Intel QX9770: 4 Kerne 45 GFlops 26 GByte Speicherbandbreite NVidia GeForce 280 GTX: 240 Shader

38 15/19 GPGPU: Leistungsvergleich GPU - CPU Intel QX9770: 4 Kerne 45 GFlops 26 GByte Speicherbandbreite NVidia GeForce 280 GTX: 240 Shader 933 GFlops

39 15/19 GPGPU: Leistungsvergleich GPU - CPU Intel QX9770: 4 Kerne 45 GFlops 26 GByte Speicherbandbreite NVidia GeForce 280 GTX: 240 Shader 933 GFlops 141 GByte Speicherbandbreite

40 16/19 GPGPU: Performancevergleich Beispiel: Home

41 17/19 GPGPU: Pro & Contra Vorteile der GPU: Rechenleistung Speicherdurchsatz

42 17/19 GPGPU: Pro & Contra Vorteile der GPU: Rechenleistung Speicherdurchsatz Nachteile: FP-Genauigkeit Angepasster Code notwendig

43 17/19 GPGPU: Pro & Contra Vorteile der GPU: Rechenleistung Speicherdurchsatz Nachteile: FP-Genauigkeit Angepasster Code notwendig Entwicklungstools: AMD/ATI CAL NVidia CUDA

44 Überblick Entwicklung Die Shader im Detail Programmierung GPGPU Zusammenfassung & Ausblick

45 18/19 Zusammenfassung Hardwareshader: Leistungszuwachs durch Parallelisierung und Spezialisierung Gewinn an Flexibilität HLSL: Zugänglichkeit

46 19/19 Ausblick Weiter zunehmende Parallelisierung Stellenwert von GPGPU steigt

47 Ende Ende Noch Fragen?

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