Details und Vergleich von GPU-Shader-Systemen. wichtige Details und Vergleich der Shaderhochsprachen GLSL, Cg und Sh

Transkript

1 Details und Vergleich von GPU-Shader-Systemen wichtige Details und Vergleich der Shaderhochsprachen GLSL, Cg und Sh

2 Historisches Cook and Perlin gelten als die Pioniere, wenn es um Shader Berechnungen geht Perlin bekannt für seine noise() function; führte Kontrollstukturen ein Cook entwickelte die Idee der shade Lucasfilm Diese Ideen mündeten unter Anderem in der Shadersprache Renderman bei Pixar in Renderman ist auch heute noch die Sprache derwahl für High Quality Rendering! RM ist allerdings eine reine Offline-Rendering-Sprache; ohne Interaktivität, dafür aber beste Qualität.

3 Historisches Nach RenderMan, wurden unabhängig von einander noch andere Shader Sprachen entwickelt ISL von SGI zielte auf die fixed-function pipeline und vor allem SGI-Grafikkarten ab, Ziel war eine RenderMan-ähnliche Sprache für OpenGL zu entwickeln RTSL der Stanford University brachte einen ähnlichen Ansatz, bezog sich allerdings eher auf die Programmable Pipeline und Grafikkarten Teile von RTSL wurden später in Cg übernommen.

4 Historisches Cg wurde von NVIDIA als Platform-neutrale, Grafikkarten-neutrale Programmmierumgebung geplant. In der Praxis allerdings haben Cg-Anwendungen auf NVIDIA Karten ganz klar einen Heimvorteil (bessere Demos, special features etc). HLSL wurde von Microsoft als eine DirectX-spezifische Alternative vorangetrieben. In general, HLSL has better integration with the DirectX framework, unlike Cg with OpenGL/DirectX. GLSL first fit into sight when moving into OpenGL2.0 as a SGI product under control of the ARB

5 Historisches Renderman ISL S R L OpenGL SL 1988 Renderman 2000 OpenGL Shader (ISL) HLSL Cg GLSL 2001 Stanford Realtime Language 2001 (Oktober ) OpenGL Shading Language Spezifikation released 2002 (Juni) Cg Spezifikation released Sh BrookGPU 2003 (November) HLSL into DirectX9 integrated 2004 Sh Spezifikation released 2004 (September) GLSL1.0 into OpenGL 2005 BrookGPU 2006 (August) GLSL1.2

6 Shadersprachen Alle Shadersprachen abstrahieren die Möglichkeiten der unter ihnen liegenden GPUs und ermöglichen dem Programmierer in einer C- ähnlichen Hochsprache zu programmieren Öfter als einem lieb ist stolpert man über Probleme, welche durch die Ausrichtung auf eine schnellstmögliche Grafikverarbeitung ausgerichteten GPU bedingt sind, soll heissen: Um eine GPGPU Berechnung zu initiieren benötigt man zuerst eine gezeichnete 3D-Primitive Daten aus dem Speicher müssen per texture fetch geholt werden Die Ansätze memory-math-ops sind eher aus der hardwarenahen CPU-Programmierung bekannt und weniger General Purpose Die Hochsprachen versuchen immer weiter zu abstrahieren und dem Entwickler mehr Funktionalität zu leisten ohne zu sehr in die GPU-Details eintauchen zu müssen. übersetzt aus Star-Report

7 Übersicht

8 HLSL eingeführt mit Directx 9 in 2002 Entwickelt für Standard-Hardware, sowie Onthe-Edge-Hardware Angabe eines Grafik-Hardware-Level auf Basis von Shader Spezifikationen DirectX Effects Framework (gleiche Shader für unterschiedliche Hardware) sehr stark an die DirectX-Runtime gebunden läuft quasi nur in Windows-Umgebungen Microsoft als alleiniger Eigentümer

9 HLSL Microsoft stellt Runtime Library zur Verfügung Generierung des Intermediate Code Nur in Verbindung mit der DirectX- API/Treiber möglich

10 Cg Von Nvidia in Zusammenarbeit mit Microsoft während des Designs von HLSL entwickelt nahezu identisch in Syntax und Semantik als früher OpenGL High Level Shading Language Kandidat zu nennen breites Zielhardware-Spektrum entwickelt als echte Cross-API Shader- Sprache beinhaltet DirectX Shader-Level, sowie OpenGL's Shading Extensions und auch noch Nvidia spezifische Hardware Features "profile" ähnlich den Shaderlevel bei HLSL es 7 verschiedene Vertex- / Pixel-Shading Profile am effektivsten auf Nvidia-Hardware implementiert und umgesetzt der Cg compiler source code liegt offen für andere Hersteller As we started out with Cg it was a great boost to getting programmers used to working with programmable GPUs. Now Microsoft has made a major commitment and in the long term we don t really want to be in the programming language business David Kirk, NVIDIA

11 Cg Aufbau wie bei Microsofts HLSL Nvidia stellt die Runtime Library Generierung des Intermediate Code CrossAPI durch Integration in DirectX oder OpenGL Treiber

12 GLSL OpenGL Shading Language (entwickelt von 3DLabs) wurde mit OpenGL 2.0 (September 2004) eingeführt GLSL setzt relativ hohe Vorraussetzungen an die Grafikhardware Benötigt OpenGL2.0 Hersteller erhalten nur eine Spezifikation und werden ermutigt, den GLSL Compiler weiter zu optimieren Wenn neue Hardware-Features eingebracht werden, lässt sich der Treiber einfach und schnell anpassen Kompaktere Syntax durch Elimination der in und out pipeline (GLSL ist eng mit der State-Machine von OpenGL verbunden Im Unterschied zu HLSL und Cg finden die Shader Kompilierung und die Linking Funktionen direkt im Grafikkartentreiber statt Keine dazwischenliegende Translation des Source-Code

13 GLSL GLSL Compiler vollständig in den Treiber integriert Keine Runtime Library benötigt Kein Intermediate Code mehr Arbeitet nur mit OpenGL Treibern zusammen

14 Sh 2003 an der Universität Waterloo von Michael McCool entwickelt Unabhängig von Plattform und API Syntaktische Ähnlichkeit zu C++, in die sich Sh einbettet Sh ist eine C++ Bibliothek Somit ist sh eine Metasprache Sh generiert entsprechend Shadercode in ARB-Assembler und GLSL (Stand: Sep 2006) SA_MichelleMartin.pdf Zwei Betriebsmodi immediate mode (Ausführungsmode) a+b wird direkt ausgeführt retained mode (Aufzeichnungsmode) a+b wird als Operation kompiliert und zur Berechnung weitergegeben 2004 wurde Sh kommerzialisiert (von RapidMind Inc heute - damals Serious Hack Inc) 2006 am wurde die Lizenz geändert - nur noch für non-commercials und educational purpose momentan in der Version 0.80 verfügbar

15 Sh Sh ist eine Metasprache Daher erst mal kein Compiler Retained Mode Compile Shader An die GPU/CPU weiterreichen Ausführen

16 Vergleich der Shadersprachen Datentypen Datentyp HLSL Cg GLSL Scalars bool, int, half, float, double wie HLSL ohne double bool, int, float Vectors Matrices Texture sampler Typedef & Structs bool[ 2 3 4], int[ 2 3 4], half[ 2 3 4], float[ 2 3 4], double[ 2 3 4] NxM (bool, int, half, float, double) 1-3 component vectors (sampler[1 2 3]D) Available single sampler Datentyp (Type als Parameter) Available bool-, int-, float-vec (bvec, ivec, fvec) NxN floats (mat4) in GLSL 1.0 und ab 1.2 werden nonsquare Matrizen unterstützt wie Cg + shadow map texture samplers (samper1dshadow) Available

17 Vergleich der Shadersprachen Funktionen Binding semantics (spezielle Verknüpfungen gebunden an Hardware Register) sind verfügbar in HLSL & Cg viele Funktionen arbeiten wie die entsprechenden C-Äquivalente, oftmals entsprechend in Hardware gegossen: dotproduct crossproduct vector normalisation vector reflection matrix multiplication range clamping trigonometric cosine, sine linear interpolation of values maximum, minimumcalculation logarithms etc... Die Cg Standardbibliothek beinhaltet einige Funktionen, die es nicht in der GLSL- Standardbibliothek gibt. Einige Beispiele sind: cosh, exp, log, determinant, fresnel, isfinite, isinf, isnan, lit, log10, refract, round, saturate, sincos, sinh, tanh, transpose, etc. Zusätzlich gibt es bestimmte Funktionen mit identischem Code, aber unterschiedlichen Namen. Beispiele (GLSL/Cg): inversesqrt/rsqrt, texture1dproj/tex1dproj, fract/frac, dfdx/ddx, etc. manche Funktionen wie in GLSL die noise() Funktion ist definiert, aber noch nicht implementiert

18 Vergleich der Shadersprachen Nutzbarkeit/Wartung/Sicherheit In grösseren Projekten/Szenen ist es von Vorteil, mehrere Shader separat zu halten und trotzdem gebunden an die Hardware weiterzugeben HLSL combine shaders to shaderfragments Cg nicht möglich GLSL put shader objects to a shader program Gerade in kommerziellen Anwendungen kann es notwendig sein, entwickelte Shader unzugänglich zu machen HLSL: Shader können vorkompiliert werden Cg und GLSL: Shader müssen in die Anwendung kompilert oder in eigenen Archivformaten versteckt werden

19 Vergleich der Shadersprachen Zugriff auf die Pipeline HLSL durch die Bindung an DirectX müssen alle Werte an den Shader übergeben sein, bevor er aktiv gesetzt wird. Cg hier zeigt sich erstmals deutlich die Möglichkeit auf DirectX oder auf OpenGL aufzusetzen Mit der OpenGL API ist es möglich auf das vordefinierte struct glstate komplett auf die Pipeline zuzugreifen, was mit DirectX nicht möglich ist. ABER um DirectX-Konform zu bleiben müssen Zustandsvariablen explizit vom User versendet werden GLSL direkter Zugriff durch die enge Bindung an OpenGL gl_position, gl_normal, glmodelviewmatrix, gl_projectionmatrix, gl_fogparameter struct, gl_lightsourceparameters struct

20 Vergleich der Shadersprachen Implementierung und Treiberbezogenes HLSL kann wohl durch die relativ lange Serie bis in die aktuelle DirectX9.0c Version hin als die stabilste Sprache angesehen werden, wenn auch nur unter Windows-Umgebungen. Zudem beinhaltet die Spezifikation weitgehend Möglichkeiten von Fallbacks und eines reichhaltigen effects framework Cg ist trotz der Cross-Platform-Bezogenheit erstaunlich stabil und fehlerfrei. Sie existiert in Windows-, Apple OSX, sowie Linuxbetriebssystemen. Durch die massive Entwicklung eines Einzelnen Herstellers wird der Compiler sehr schnell weiterentwickelt. Der Source-Code des Compilers liegt zudem offen für andere Hersteller, wenn auch Cg als NVIDIA-Produkt nur auf NVIDIA Hardware seine gänzliche Leistungsfähigkeit ausschöpfen kann. GLSL als jüngste der 3 Shadersprachen wird von den Herstellern zumeist noch als experimentell bewertet, obgleich ATI, NVIDIA und 3DLabs befriedigende bis gute Unterstützung anbieten und selbst auf aktuellsten Grafikkarten nicht immer alle Features verfügbar sind.

21 Vergleich der Shadersprachen Geschwindigkeit Durchgeführt wurde ein Geschwindigkeitstest (frames per second) auf einem AMD mit 1GB RAM, WinXP mit einer 128mb NVIDIA Treiber : Forceware 71.84, Cg 1.3, DirectX 9.0c Eine Kugel mit Vertices wurde im Vertex-Shader mittels Kosinus und Sinus Operationen gewobbelt und im Pixel-Shader wurde auf diese Kugel eine Steintextur mit einer per-pixel lighting Technik, dem normal-mapping (eine vorberechnete zweite Textur aus Normaleninformationen) wird mit einer ersten, diffusen Textur kombiniert (Vektorprodukt des Normalen- mit dem transformierten Licht Vektor des Pixels und der Farbinformation aus der Textur) Sprache/Test HLSL Cg GLSL Vertex bound Fragment bound Echtzeitfähigkeit ist gegeben! (>30 frames) Die ähnlichen Ergebnisse im vertex bound könnten auch von einem Bus-Limit des Programmspeichers zur Grafikkarte rühren Die Unterschiede im fragment bound lassen sich auf die Treiberunterstützung und die verwendeten Kompiler zurückführen

22 Vergleich der Shadersprachen Zukunftsaussichten Es wir darauf hingearbeitet, die Funktionen und Konstrukte zwischen Vertex- und Pixelshader zusammenzuführen Weitere Teile der Pipeline werden programmierbar werden Ein dritter Shader könnte beispielsweise ein Framebuffershader sein, der es erlauben würde Bildraum-Operationen durchzuführen

23 The Big Picture Abschliessend ist zu bemerken die Wahl der Plattform und der Hardware ist ausschlaggebend es sollte in jedem Fall darauf geachtet werden, geeigneten Fallbackcode einzubauen, gerade wenn mit GLSL programmiert wird Die Sprachen können alle ähnlich viel, sind ähnlich aufgebaut und ähnlich schnell. Die Performanz, sowie die Nutzbarkeit hängen sehr stark von der Hardware, den Treibern, sowie der verwendeten Compilern wie auch der Wahl der 3D-API ab. Auszug aus TechReport HLSL is the recommended shading language choice if DirectX is the API of choice, with Cg recommended over GLSL for use with OpenGL until 2006 when GLSL implementations are expected to become widely available. These recommendations are a starting point to aid in deciding what shading language would prove the most beneficial to developer requirements.

24 The Big Picture Weitere Entscheidungshilfen ShaderDebugging (?interessant?) bugle gdebubber (kommerziell) spyglass GPGPUTechniques (?interessant?) kommt noch?! map, reduce, scatter and gather, stream filtering, sort, and search Sonst

25 Literatur koblenz.de/projektpraktika/medgpu/index.php/shadersprache-pro- /Kontraliste-GLSL/Cg/Sh ort.pdf Open GL Shading Language (Randi J. Rost - ISBN: )