Shader

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Shader, auch als Schattierer bezeichnet, sind Hardware- oder Softwaremodule, die bestimmte Renderingeffekte bei der 3D-Computergrafik implementieren. Aus technischer Sicht bezeichnet „Shader“ denjenigen Teil eines Renderers, der für die Ermittlung der Farbe eines Objektes zuständig ist – im Gegensatz zu dem Teil, der die Sichtbarkeit des Objektes ermittelt. Shader wurden ursprünglich für das Shading, also die Beleuchtungs-Berechnung, entwickelt, werden aber mittlerweile auch für andere Dinge verwendet.

Der Begriff „Shader“ wird sowohl für die Hardware-Shader als auch für die darauf laufenden Programme selbst verwendet.

Inhaltsverzeichnis

1 Hardware-Shader
- 1.1 Verarbeitungskette
2 Programmierung
3 Weblinks

[Bearbeiten] Hardware-Shader

Hardware-Shader (auch: Shadereinheiten, Shader Units) sind kleine Recheneinheiten in aktuellen Grafikchips (unter Windows seit DirectX-Version 8, plattformunabhängig seit OpenGL 2.0 ansprechbar). Traditionell wird zwischen zwei Typen unterschieden, den Pixel- und den Vertex-Shadern. Shader können zur Erzeugung von 3D-Effekten programmiert werden. Während Pixel-Shader die Bildpunkte verändern und auch die Pixelfarbe berechnen können, dienen Vertex-Shader geometrischen Berechnungen und dynamischen Veränderungen von Objekten. So erzeugen z.B. beide Shader kombiniert den Wassereffekt im Computerspiel Far Cry. Sie können auch zur Berechnung von Lava, Lack, Fell usw. eingesetzt werden. Seit DirectX 10 ist als dritter Shader-Typ der Geometry-Shader hinzugekommen, der die vom Vertex-Shader ausgegebenen Polygondaten erhält und diese noch weit flexibler bearbeiten kann, sogar weitere Geometrie zur Szene hinzufügen kann (der Vertex-Shader kann nur bestehende Geometrie manipulieren).

Pixel-, Vertex- und Geometry-Shadereinheiten dürfen nicht als vom Rest getrennte Recheneinheiten (wie bspw. Koprozessoren) verstanden werden, sondern als fester Teil des Grafikchips innerhalb seiner Rendering-Pipelines. So ist der Vertex-Shader lediglich eine programmierbare T&L-Einheit, der Pixel-Shader entstand historisch aus dem Combiner – der genaue Aufbau der Shader-Hardware ist geheim. Konformität dieser Shader-Einheiten zu den Standards DirectX und OpenGL wird über den Grafiktreiber hergestellt.

Da sich die Funktionalität von Vertex- und Pixel-Shadern mit der Zeit immer weiter erhöhten, wurde letztlich das Konzept der Unified Shader entwickelt, bei dem der hardwareseitige Unterschied zwischen Vertex-, Pixel- und Geometry-Shader verschwindet. Hierbei können alle Shader-Einheiten des Grafikchips nun dieselben Operationen ausführen, womit eine feste Trennung zwischen den drei Shader-Typen nicht mehr sinnvoll ist. In Folge dessen kann nun der Grafiktreiber selbst entscheiden, welche Shader-Einheit zu welchem Zeitpunkt als Vertex-, als Pixel- oder als Geometry-Shader eingesetzt wird, was potenziell eine bessere Leistungsausbeute als bei Grafikkarten mit fest eingeteilten Shader-Typen bedeutet. Aktuelle Versionen von OpenGL und DirectX unterstützen das Unified Shader-Konzept bereits und es existieren mit der NVIDIA-GeForce-8-Serie auch schon einige Grafikkarten, die es unterstützen, bisher aber nur über OpenGL (Stand Jan 2007).

[Bearbeiten] Verarbeitungskette

CPU sendet Steuerbefehle und Geometrie-Daten an die Grafikkarte.
Im Vertex-Shader wird die Geometrie transformiert, außerdem werden bestimmte Licht-Berechnungen ausgeführt.
Ist ein Geometry-Shader auf dem Grafikchip vorhanden, durchlaufen die Geometriedaten nun diesen, hierbei werden weitere Veränderungen an der Szene vorgenommen.
Die fertigtransformierte Geometrie gelangt in das Triangle Setup. Dreiecke werden in Quads zerlegt (ein Quad besteht aus 2 × 2 Pixeln.)
Die erste Stufe des Pixel-Shaders ist der Interpolator. Hier werden bestimmte, nur pro Eckpunkt (Vertex) vorliegende Informationen über die Dreiecksfläche interpoliert.
Im Pixel-Shader gibt es arithmetische Rechenwerke (Shader Units) und Textur-Einheiten (Texture Mapping Units, TMUs).
Nachdem die Pixelberechnung abgeschlossen ist, wird der Test auf Sichtbarkeit (Z-Test) ausgeführt. Bei Sichtbarkeit findet ein Schreibvorgang in den Framebuffer statt.

[Bearbeiten] Programmierung

In OpenGL ist seit Version 2.0 eine eigene C-ähnliche Shader-Sprache integriert (OpenGL Shading Language, kurz GLSL); davor war Shaderprogrammierung nur durch herstellerabhängige Schnittstellen möglich. Durch den Einsatz von GLSL ist man nicht mehr auf die Verwendung proprietärer Technologie sowie den Einsatz auf der Windows-Plattform beschränkt und kann Shader nun auf unterschiedlichsten Plattformen, wie Mac OS X oder Linux, benutzen.

Unter DirectX werden Shader in der Sprache HLSL programmiert, wobei je nach DirectX-Version verschiedene Shader-Versionen angeboten werden, die sich in ihrer Programmierbarkeit unterscheiden. Da nicht jede Grafikkarte jede Shaderversion unterstützt, muss bei der Programmierung von 3D-Grafikanwendungen darauf geachtet werden, dass eine Ausweichlösung für ältere Grafikkarten existiert. Die einzelnen Shader-Lösungen in einer Anwendung für verschiedene Shaderversionen bzw. verschiedene Grafikkarten nennt man Renderpfade. Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen den einzelnen DirectX- und Shader-Versionen:

DirectX-Version	Pixel-Shader	Vertex-Shader
8.0	1.0, 1.1	1.0
8.1	1.2, 1.3, 1.4
9.0	2.0	2.0
9.0a	2_A, 2_B	2.x
9.0c	3.0	3.0
10.0	4.0	4.0

Pixel- und Vertex-Shader 1.0 waren für den 3dfx Rampage vorgesehen, der jedoch nie auf den Markt kam. Pixel-Shader 1.2 wird von bestimmten 3D-Karten von 3DLabs genutzt, Pixel-Shader 1.3 von der Nvidia GeForce 4 Ti und Matrox Parhelia unterstützt.