Computer Graphics Computer Graphics Shader Computer Graphics: Shader
Inhalt Pipeline Memory Resources Input-Assembler Vertex-Shader Geometry-Shader & Stream-Output Rasterizer Pixel-Shader Output-Merger Texturen Mipmaps p Koordinaten Filtering 3D Räume Object Space World Space View Space Projection Space Screen Space Shader Beispiel 2
Pipeline Drei programmierbare Stufen Vertex-Shader Geometry-Shader Pixel-Shader Alle anderen Stufen sind nur über Zustände einstellbar 3
Memory Resources Symbolisiert den Arbeitsspeicher der Grafikkarte Ressourcen: Vertex Buffer Index Buffer Texturen Shaderkonstanten Stateblocks... Stateblocks werden unterteilt in: Rasterizer States Depth-Stencil States Sampler States Blend States 4
Input-Assembler Liest Daten aus einem Index Buffer und ein oder mehreren Vertex Buffern Setzt die gelesenen Daten zu Primitiven zusammen (assemble): Linien Dreiecken... Fügt systemgenerierte Daten hinzu, z.b. Vertex ID Gibt die Daten an die Pipeline weiter 5
Vertex-Shader Bearbeitet die vom Input Assembler übergebenen Vertices Daraus folgt, dass der Vertex-Shader für jeden Vertex einmal ausgeführt wird Zu den Aufgaben gehören: Transformation der Position Bearbeitung der Texturkoordinaten Per Vertex Lichtberechnungen Displacement Mapping... 6
Geometry-Shader & Stream-Output Bearbeitet die vom Vertex-Shader ausgegebenen Vertices, die zu Primitiven zusammengesetzt werden Der Geometry-Shader wird für jedes Primitiv (Linie, Dreieck,...) einmal ausgeführt Der Geometry-Shader kann Geometrie hinzufügen bzw. aus der Pipeline entfernen (limited geometry amplification i und de-amplification) i Über den Stream-Output können Geometrie Daten in die Memory Resources geschrieben werden Diese Vorgang unterbricht nicht die Pipeline, sondern findet parallel dazu statt 7
Rasterizer Zuständig für Clipping Abbilden auf den Viewport Rasterung in Pixel Interpolation der Vertex Daten Reicht die interpolierten Daten an den Pixel-Shader weiter 8
Pixel-Shader Bearbeitet die vom Rasterizer übergebenen Pixel Der Pixel-Shader wird für jeden Pixel einmal ausgeführt Zu den Aufgaben gehören: Color Transformationen Per Pixel Lichtberechnungen Texturen samplen Bump Mapping Evtl. Tiefenwert bearbeiten... 9
Output-Merger Kombiniert die vom Pixel-Shader ausgegebenen Farben mit den bereits vorhanden Farben des Buffers (Blending) Schreibt den neuen Wert auf den Buffer 10
Texturen Ansammlung von Texel Ein Texel bildet die kleinste Einheit einer Textur Besteht aus 1 bis 4 Komponenten (je nach Format: RGBA, R, GR,...) Texturen können im Shader beliebig oft gelesen (fetch oder sample) werden Es existieren vier verschiedene Textur-Typen: 1D-Texturen 2D-Texturen 3D-Texturen (Volumetextures) Cubemaps 11
Mipmaps Stammt aus dem lateinischen multum in parvo, bedeutet übersetzt soviel wie Viel in Kleinem Bilden eine Anreihung von Texturen, bei der jede Folgetextur immer das gleiche Bild repräsentiert Mit jedem neuen Mipmap-Level wird die Auflösung der Textur halbiert Die Grafikkarte kann feststellen welcher Mipmap-Level die nächste Auflösung zur gewünschten Ausgabe besitzt Verringert Aliasing und erhöht damit die Bildqualität Erhöhter Speicherverbrauch 12
Texturkoordinaten Zum Adressieren einer Textur werden je nach Typ 1 bis 3 Koordinaten benötigt Die Koordinaten werden meistens als u, v und w bezeichnet Linear adressiert von: 0 bis 1 bei 1D-Texturen (0, 0) bis (1, 1) bei 2D-Texturen (0, 0, 0) bis (1, 1, 1) bei 3D-Texturen Unterschied zwischen DX9 und DX10 in der Adressierung. Unter DX10 befindet sich der erste Texel auf der Koordinate (0, 0) Quelle: [AMD07] 13
Filtering In den meisten Fällen wird die Textur beim Lesen magnified oder minified Magnification: Mehrere Pixel werden auf einen Texel abgebildet Ergebnis ist grob Lösung durch Linear- bzw. Bilinear-Filtering Minification: Ein einzelner Pixel wird auf mehrere Texel abgebildet Ergebnis besitzt starkes Aliasing Lösung durch Mipmap-Filtering 14
3D Räume Object Space World Space View Space Projection Space Screen Space 15
Object Space & World Space Object Space Oft Model Space genannt Wird bevorzugt zur Erstellung der Objekte verwendet Objekt wird um den Nullpunkt erstellt, dadurch können Transformationen (z.b. Rotation) leichter ausgeführt werden World Space Raum den sich alle Objekte teilen Modelle Licht Kamera... 16
View Space Auch oft Camera Space genannt Bestimmt die äußeren Kameraeinstellungen Position und Ausrichtung Die Kamera bildet den Ursprung im View Space Die Ausrichtung der Kamera bildet die z-achse des View Space World Space View Space 17
Projection Space & Screen Space Bestimmt die inneren Kameraeinstellungen Field of View, Near Clip Plane und Far Clip Plane Führt eine perspektivische Transformation bzw. Projektion aus Objekte näher an der Kamera erscheinen größer als weiter entfernte Objekte Objekte werden anhand ihrer Entfernung zur Kamera (z-wert im View Space) transformiert View Frustum wird auf einen Einheitswürfel abgebildet In diesem besitzen alle sichtbaren Objekte: x- und y-werte zwischen -1 und +1 z-werte zwischen 0 und 1 Screen Space Bestimmt die Position auf dem Frame Buffer Die linke, obere Ecke bildet den Ursprung mit der Koordinate (0, 0) Der letzte t Punkt im Raum wird durch Koordinate (w-1, h-1) definiert, i wobei w die Breite des Frame Buffers und h die Höhe des Frame Buffers (in Pixel) angibt Positive x-achse verläuft nach rechts Positive y-achse verläuft nach unten 18
Shader Eingabedaten werden in zwei Kategorien unterteilt: Varying Inputs: Variieren für jeden Vertex bzw. Pixel Per Vertex Daten: Position, Normale, Texturkoordinaten,... Per Pixel Daten: Texturkoordinaten, Normale,... Werden über spezielle Eingaberegister an den Shader übergeben Uniform Inputs: Sind für alle Vektoren, Pixel und Primitive gleich und variieren beim Durchlaufen der Pipeline nicht Shaderkonstanten Lichtposition Kameraposition Transformationsmatrizen... Texturen Ausgabedaten werden über spezielle Ausgaberegister an die Pipeline weitergegeben 19
Beispiel 20
Quellen [DX07] Direct X Documentation 2007 [AMD07] Harnessing the Power of DirectX 10 21