Введение в GLSL Наталья Татарчук ATI Research, Inc 3D Application Research Group Game Developers Conference 2004

2 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обзор Материала Введение в GLSL Обзор структуры языка Примеры шейдеров в GLSL

3 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 GLSL – Новый Стандарт для Программирования Шейдеров в OpenGL Поддерживается драйверами с выпуском OpenGL 1.5 Позволяет разработчикам использовать программируемые конвейеры с использованием OpenGL API Язык программирования шейдеров высокого уровня Стандартное расширение ARB

4 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обзор Языка GLSL Базируется на основе ANSI C –Сохранено большинство возможностей языка, за исключением тех случаев, когда страдает производительность Добавлена поддержка векторов и матрих Заимстованы некоторые возможности C++ –Фунции, перегруженные по аргументам вызова (Overloaded functions) –Возможность декларирования переменных в любом месте по мере надобности

5 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обзор Языка GLSL (продолж.) GLSL является набором двух схожих языков для программирования VPU –Программирование вершинного процессора –Программирование фрагментного процессора Большая часть функциональных возможностей одинакова

6 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обзор Вершинного Процессора Конвейер, оперирующий вершинными данными Используется для: –Трансформации вершин –Трансформации нормалей и их нормализации –Генерации текстурных координат –Рассчета освещения Вершинные шейдеры – это программы, запускаемые на вершинном процессоре –Программа знает тольно об одной вершине

7 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обзор Фрагментного Процессора Конвейер, обрабатывающий интерполируемые данные для: –Наложения текстур –По-фрагментного рассчета цвета материала Фрагментный шейдер - это программа для фрагментного процессора, работающая с одним фрагментом –С помощью FS можно симулировать FFP полностью, но нельзя их использовать одновременно –Некоторые части FFP нельзя заменить с FS Alpha and depth test Scissor Stencil test Alpha blending –Знает текущее состояние конвейера OpenGL

8 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Функциональные Возможности Языка GLSL Директивы препроцессора Типы данных Операторы и выражения Структура языка Встроенные переменные и типы данных

9 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Директивы Препроцессора #define #undef #if #ifdef #ifndef #else #elif #endif #error: Вывод диагностического сообщения #pragma: Зависит от имплементации компилятора #line: Вывод номера строки при запуске макро Так же, как в C++

10 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Зарезервированные Слова в GLSL attribute const uniform varying break continue do for while if else in out inout float int void bool true false discard return mat2 mat3 mat4 vec2 vec3 vec4 ivec2 ivec3 ivec4 bvec2 bvec3 bvec4 sampler1D sampler2D sampler3D samplerCube sampler1DShadow sampler2DShadow struct

11 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Зарезервированные Слова в GLSL для Будущего Использования Использование на данный момент вызывает ошибку: asm class union enum typedef template goto switch default inline noinline volatile public static extern external long short double half fixed unsigned input output hvec2 hvec3 hvec4 dvec2 dvec3 dvec4 fvec2 fvec3 fvec4 sampler2DRect sampler3DRect sizeof cast namespace using

12 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Типы Данных в GLSL void для функций без возвращаемого значения bool булевское значение, true или false int целочисленное значение со знаком float число с плавающей точкой Многокомпонентные вектора в форме *vecN, где { * } – идентификатор типа данных ( b для булевских векторов, i для целочисленных векторов и просто vecN для векторов с плавающей точкой) и N – это количество компонент. –vec2 – двух компонентный вектор с плавающей точкой –bvec4 – четырех компонентный булевский вектор –ivec3 – трех компонентный целочисленный вектор

13 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Матрицы и Чтение Текстур Матрицы: только NxN матрицы с плавающей точкой (2x2: mat2, 3x3: mat3, 4x4: mat4 ) Сэмплеры: –sampler1D –sampler2D –sampler3D –samplerCube –sampler1DShadow –sampler2DShadowэ

14 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Целочисленные Типы Данных Поддержка в железе не обязательна: на данный момент не поддерживается существующим железом Может использоваться для циклов и индексации массивов Точность 16 битов + плюс бит знака –Переполнение 16ти битов создает несовместимость Может быть переведены в данные с плавающей точкой для подсчетов –Контролируется драйверами Константы могут быть заданы в десятичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системе отсчета

15 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Вектора и Матричные Данные 2-, 3-, и 4-компонентные вектора Матрицы могут быть только с плавающей точкой: –Адресуются в column major order Например: –vec2 texcoord1, texcoord2; –vec3 position; –vec4 myRGBA; –ivec2 textureLookup; –mat4 viewMatrix; Инициализация с помощью конструкторов

16 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Структуры Данных и Массивы struct может быть использован для создания новых типов данных: struct light { float intensity; vec3 position; } lightVar; Однотипные переменные могут быть представлены массивом: float myLights[8]; or const int nNumLights = 2; light lights[nNumLights]; Имя нового типа данных Имя переменной

17 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обозначение Использования Переменных –Просто переменная Const –Константа, либо параметр для фукции с неизменяемым значением Attribute –Обозначает входные вершинные данные Uniform –Неизменяемый внутри шейдера значение Varying –Интеролируемые данные между вершинным и фрагментным шейдерами In –Входные параметры функций Out –Выводимые значения функций Inout –«Входит-Выходит» Глобальные переменные могут изпользовать обозначения const, attribute, uniform, or varying – только один сразу Локальные переменные могут использовать только const

18 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обозначение Использования attribute Для декларации переменной, как вершинных данных –Разрешено только в вершинном шейдере для чтения –Данные передаются в вершинный шейдер через vertex API либо как часть вершинного массива данных в OpenGL –Нельзя использовать как структуры данных либо как массивы: только как float, vec2, vec3, vec4, mat2, mat3, или mat4 attribute vec4 position; attribute vec3 normal; attribute vec2 texCoord; Максимальное количество вершинных аттрибутов – 16

19 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Стандартные Вершинные Атрибуты в OpenGL attribute vec4 gl_Color; attribute vec4 gl_SecondaryColor; attribute vec3 gl_Normal; attribute vec4 gl_Vertex; attribute vec4 gl_MultiTexCoord0; attribute vec4 gl_MultiTexCoord1; attribute vec4 gl_MultiTexCoord2; attribute vec4 gl_MultiTexCoord3; attribute vec4 gl_MultiTexCoord4; attribute vec4 gl_MultiTexCoord5; attribute vec4 gl_MultiTexCoord6; attribute vec4 gl_MultiTexCoord7; attribute float gl_FogCoord;

20 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обозначение Использования uniform Неизменяемые внутри шейдера значения для чтения Заданные непосредственно программой через команды API либо через OpenGL state: –Например все переменные в RenderMonkey заданы как uniform параметры для шейдеров uniform vec4 lightPosition; Может быть использованы с любыми типами данных Конкретная имплементация OpenGL драйвера задает максимальное количество доступных uniform параметров Внимание: Заметьте, что в OpenGL uniforms задаются в объекте шейдерной программы, а не в самих шейдерах

21 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Обозначение Использования varying Интерполируемые данные между вершинным и фрагментным шейдером Вершинный шейдер просчитывает значение этих переменных на каждую вершину и передает из в фрагментный шейдер через интерполяторы Переменные varying интерполируются как perspective-correct значение Фрагментный шейдер может читать varying значения –Декларации должны совпадать в вершинном и фрагментном шейдерах varying vec3 normal; Можно использовать только float, vec2, vec3, vec4, mat2, mat3, и mat4, либо массивы из этих типов данных.

22 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Переменные Вывода из Вершинного Шейдера –vec4 gl_Position : homogenous позиция вершины – вывод обязателен –float gl_PointSize : вершинный шейдер может вывести размер рисуемой точки в пикселях –vec4 gl_ClipVertex : вершинный шейдер может выверсти координаты для использования с user clipping planes.

23 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Переменные Вывода из Фрагментного Шейдера vec4 gl_FragColor –Цвет фрагмента, вывод обязателен float gl_FragDepth –Значение глубины сцены

24 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Конструкторы –int(bool) – из Boolean в int –int(float) – из float в int –float(bool) - из Boolean в float –vec3(float) - initializes each component of a vec3 with the float –vec4(ivec4) - makes a vec4 from an ivec4, with component-wise conversion –vec2(float, float) - initializes a vec2 with 2 floats –ivec3(int, int, int) - initializes an ivec3 with 3 ints –bvec4(int, int, float, float) - initializes with 4 Boolean conversions –vec2(vec3) - drops the third component of a vec3 –vec3(vec4) - drops the fourth component of a vec4 –vec3(vec2, float) - vec3.x = vec2.x, vec3.y = vec2.y, vec3.z = float

25 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Доступ к Компонентам Поддерживаемые компоненты векторов: –{x, y, z, w} - изпользуются при считывании позиций или нормаль –{r, g, b, a} - используются при считывание цветов –{s, t, p, q} – используются при считывании текстурных координат vec4 v4; v4.rgba; - четырех компонентный вектор v4.rgb; - трех компонентный вектор v4.b; - знание с плавающей точкой v4.xgba; - нелегально – нельзя мешать компоненты из разных наборов! –Порядок компонент может быть различным для swizzle либо повторен (replicated): vec4 pos = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0); vec4 swiz = pos.wzyx; - swiz = (4.0, 3.0, 2.0, 1.0) vec4 dup = pos.xxyy; - dup = (1.0, 1.0, 2.0, 2.0) Компоненты матриц могут быть считаны изпользуя [] [] mat4 myMatrix; myMatrix[0][2] = 4.0 ;

26 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Вход в Шейдер Изпользуется функция main Она должна быть объявлена таким образом: void main(void) {... }

27 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Flow Control Semantics If / else поддерживается if ( bool_expression) True expression else False expression Также поддерживаются циклы for (init-expression; condition-expression; loop-expression) sub-statement while (condition-expression) sub-statement do statement while (condition-expression)

28 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Jump Statements continue; break; return и return expression discard –Только используется, когда нужно прекратить подсчет данных для фрагмента Фрагмент выброшен и данные буфера кадра не изменяются –Например: Можно тестировать значение alpha для фрагмента и выбрасывать фрагмент на основе этого теста Только в циклах

29 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Встроенные OpenGL Константы Можно использовать в вершинном и фрагментном шейдере const int gl_MaxLights = 8; - GL 1.0 const int gl_MaxClipPlanes = 6; - GL 1.0 const int gl_MaxTextureUnits = 2; - GL 1.2 const int gl_MaxTextureCoordsARB = 2; - ARB_fragment_program const int gl_MaxVertexAttributesGL2 = 16; - GL2_vertex_shader const int gl_MaxVertexUniformFloatsGL2 = 512; - GL2_vertex_shader const int gl_MaxVaryingFloatsGL2 = 32; - GL2_vertex_shader const int gl_MaxVertexTextureUnitsGL2 = 1; - GL2_vertex_shader const int gl_MaxFragmentTextureUnitsGL2 = 2; - GL2_fragment_shader const int gl_MaxFragmentUniformFloatsGL2 = 64; - GL2_fragment_shader

30 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Встроенное Состояние OpenGL Программа может задать OpenGL state, который может быть считан внутри шейдеров используя встроенные переменные –uniform mat4 gl_ModelViewMatrix; –uniform mat4 gl_ProjectionMatrix; –uniform mat4 gl_ModelViewProjectionMatrix; –uniform mat3 gl_NormalMatrix; // derived –uniform mat4 gl_TextureMatrix[gl_MaxTextureCoordsARB]; –uniform float gl_NormalScale; … –А так же константы для параметров глубины сцены, цвета материалов, параметры задачи освещения, clip plane parameters, point parameters (size, etc), текстурных параметров, тумана, и т.д.

31 KRI Conference, Moscow, Russia, February 2004 Встроенные Функции radians degreessin cos tan asinacos atan atanexp2 log2 sqrt pow inversesqrtabs sign floorceil fract modmin max mix clamp step dotdistance crosssmoothsteplength lessThan lessThanEqual greaterThan greaterThanEqual equal notEqualnormalize reflectftransformany all notfaceforward matrixCompMult А так же для текстурного доступа: - texture1D texture2DProj texture1DProj texture1DLod - texture1DProjLod … - textureCube, textureCubeLod - shadow1D, shadow2D, shadow1DProj, shadow2DProj, …