Шейдер (от англ. shader) в компьютерной графике — это программный модуль, который используется для определения внешнего вида объектов и их поведения в трехмерной графике. Основная задача шейдеров — создание эффектов освещения, цвета, текстурирования и других визуальных аспектов, которые формируют конечное изображение на экране.
В зависимости от их функций, шейдеры делятся на несколько типов:
- Вершинные шейдеры (Vertex Shaders): Определяют положение вершин в трехмерном пространстве. Они могут также выполнять преобразования координат вершин.
- Фрагментные шейдеры (Fragment Shaders): Отвечают за определение цвета каждого фрагмента (пикселя) изображения. Они могут управлять такими аспектами, как освещение, текстурирование и т.д.
- Геометрические шейдеры (Geometry Shaders): Определяют геометрическую форму объектов. Они могут генерировать новые вершины или изменять геометрию объектов.
- Тесселяционные шейдеры (Tessellation Shaders): Используются для управления уровнем детализации поверхности объектов. Они позволяют более гибко управлять геометрической детализацией в зависимости от расстояния от камеры.
Шейдеры пишутся на специальных языках программирования, таких как GLSL (OpenGL Shading Language) или HLSL (High-Level Shading Language). Они играют ключевую роль в создании реалистичных и интересных визуальных эффектов в компьютерных играх и других приложениях с трехмерной графикой.
В чем разница между шейдером и текстурой
Шейдер и текстура — это два разных концепта в компьютерной графике, и они выполняют разные функции.
Шейдер:
- Определение внешнего вида объектов: Шейдер — это программный модуль, который используется для определения внешнего вида объектов в трехмерной графике. Шейдеры позволяют контролировать процессы отображения, такие как освещение, цвет, тени и другие визуальные эффекты.
- Выполнение на графическом процессоре (GPU): Шейдеры выполняются на графическом процессоре (GPU) и работают параллельно для каждого элемента отображаемой графики (например, вершины, пиксели).
Текстура:
- Изображение или данные: Текстура представляет собой изображение или набор данных, которые применяются к поверхности объекта. Она может содержать цвета, нормали, отражения и другую информацию.
- Применение к геометрии: Текстуры применяются к геометрии объекта с использованием координат текстур. Это позволяет создавать более реалистичные и детализированные визуальные эффекты, такие как текстурирование поверхностей.
Таким образом, шейдеры и текстуры тесно взаимосвязаны, но выполняют разные функции. Шейдеры контролируют внешний вид объектов, а текстуры предоставляют данные, которые используются в этих шейдерах для придания объектам определенных характеристик. Например, текстура может содержать изображение камня, а шейдер может использоваться для создания эффектов освещения и теней на этой поверхности.
Шейдеры в iOS
В iOS 17 стало возможным добавить шейдер к любой View. На платформе шейдеры применяются в контексте OpenGL ES или Metal API. Оба эти API предоставляют инструменты для создания высокопроизводительной графики на устройствах Apple.
В случае использования OpenGL ES:
- Написание шейдеров: Шейдеры на OpenGL ES пишутся на языке GLSL (OpenGL Shading Language). Вы можете создать файлы с расширением .vert (вершинный шейдер) и .frag (фрагментный шейдер), в которых определены соответствующие шейдеры.
- Компиляция шейдеров: Шейдеры компилируются во время выполнения программы с использованием API OpenGL ES. Это может включать в себя чтение исходного кода из файлов, компиляцию и проверку ошибок.
- Создание программы шейдеров: После компиляции вершинного и фрагментного шейдеров они объединяются в программу шейдеров, которая затем используется при рендеринге.
- Привязка программы шейдеров: Программа шейдеров привязывается к контексту OpenGL ES.
- Применение шейдеров при рендеринге: В процессе рендеринга, когда нужно отобразить объекты на экране, программа шейдеров активируется, и ее шейдеры выполняются для каждого фрагмента на экране.
В случае использования Metal API:
- Написание шейдеров: Шейдеры на Metal пишутся на языке Metal Shading Language (MSL). Они могут храниться в отдельных файлах с расширением .metal.
- Компиляция шейдеров: Шейдеры компилируются во время сборки приложения с использованием инструментов компиляции Metal Shading Language.
- Создание пайплайна отрисовки (Render Pipeline): В Metal используется понятие Render Pipeline, который включает в себя вершинный и фрагментный шейдеры, а также другие конфигурационные параметры.
- Применение пайплайна отрисовки при рендеринге: В процессе рендеринга пайплайн отрисовки активируется, и его шейдеры выполняются для отображения графических объектов.
Пример использования шейдера в Swift с Metal включает в себя создание программы шейдеров, настройку пайплайна отрисовки и рендеринг графики. В этом примере создается простой вершинный и фрагментный шейдер, а затем они объединяются в пайплайн отрисовки.
import Metal
import MetalKit
class MetalViewController: UIViewController {
var device: MTLDevice!
var metalLayer: CAMetalLayer!
var pipelineState: MTLRenderPipelineState!
var commandQueue: MTLCommandQueue!
override func viewDidLoad() {
super.viewDidLoad()
setupMetal()
setupPipeline()
}
func setupMetal() {
device = MTLCreateSystemDefaultDevice()
metalLayer = CAMetalLayer()
metalLayer.device = device
metalLayer.pixelFormat = .bgra8Unorm
view.layer.addSublayer(metalLayer)
commandQueue = device.makeCommandQueue()
}
func setupPipeline() {
let pipelineDescriptor = MTLRenderPipelineDescriptor()
pipelineDescriptor.vertexFunction = makeVertexFunction()
pipelineDescriptor.fragmentFunction = makeFragmentFunction()
pipelineDescriptor.colorAttachments[0].pixelFormat = .bgra8Unorm
do {
pipelineState = try device.makeRenderPipelineState(descriptor: pipelineDescriptor)
} catch {
fatalError("Error creating pipeline state: \(error)")
}
}
func makeVertexFunction() -> MTLFunction {
let source = """
using namespace metal;
struct VertexIn {
float4 position [[attribute(0)]];
};
struct VertexOut {
float4 position [[position]];
};
vertex VertexOut basic_vertex(VertexIn in [[stage_in]]) {
VertexOut out;
out.position = in.position;
return out;
}
"""
do {
return try device.makeLibrary(source: source, options: nil).makeFunction(name: "basic_vertex")!
} catch {
fatalError("Error creating vertex function: \(error)")
}
}
func makeFragmentFunction() -> MTLFunction {
let source = """
using namespace metal;
struct VertexOut {
float4 position [[position]];
};
fragment float4 basic_fragment(VertexOut in [[stage_in]]) {
return float4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Red color
}
"""
do {
return try device.makeLibrary(source: source, options: nil).makeFunction(name: "basic_fragment")!
} catch {
fatalError("Error creating fragment function: \(error)")
}
}
override func viewDidLayoutSubviews() {
super.viewDidLayoutSubviews()
metalLayer.frame = view.layer.bounds
}
override func viewDidAppear(_ animated: Bool) {
super.viewDidAppear(animated)
render()
}
func render() {
guard let drawable = metalLayer.nextDrawable() else { return }
let commandBuffer = commandQueue.makeCommandBuffer()
let renderPassDescriptor = MTLRenderPassDescriptor()
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].texture = drawable.texture
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].loadAction = .clear
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].clearColor = MTLClearColorMake(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)
renderPassDescriptor.colorAttachments[0].storeAction = .store
guard let renderEncoder = commandBuffer?.makeRenderCommandEncoder(descriptor: renderPassDescriptor) else { return }
renderEncoder.setRenderPipelineState(pipelineState)
// Здесь вы можете добавить код для передачи вершин и других данных шейдеру
renderEncoder.drawPrimitives(type: .triangle, vertexStart: 0, vertexCount: 3)
renderEncoder.endEncoding()
commandBuffer?.present(drawable)
commandBuffer?.commit()
}
}
Этот пример создает простой Metal-проект с красным треугольником, используя вершинный и фрагментный шейдеры. Вы можете настраивать шейдеры и добавлять передачу данных между вершинами и фрагментами в зависимости от ваших потребностей.
Как шейдеры используются в Android
На платформе Android с использованием языка программирования Kotlin, шейдеры обычно используются в контексте OpenGL ES (в версии 2.0 или выше) или Vulkan API для реализации графики на уровне GPU. Давайте рассмотрим пример использования шейдеров с использованием OpenGL ES.
Прежде всего, убедитесь, что вы добавили необходимые разрешения в файле AndroidManifest.xml для использования OpenGL ES:
<uses-feature android:glEsVersion="0x00020000" android:required="true" />
Затем вам потребуется использовать библиотеку для работы с OpenGL ES в Kotlin/Android. Пример использования библиотеки Android NDK и CMake для этого:
1. Создайте файл CMakeLists.txt в папке app вашего проекта:
cmake_minimum_required(VERSION 3.10.2)
project("YourProjectName")
add_library(native-lib SHARED src/main/cpp/native-lib.cpp)
find_library(log-lib log)
target_link_libraries(native-lib ${log-lib})
2. Создайте файл native-lib.cpp в папке app/src/main/cpp:
#include <jni.h>
#include <string>
#include <GLES2/gl2.h>
extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_yourapp_MainActivity_renderFrame(JNIEnv *env, jobject /* this */) {
// Шейдеры и код рендеринга будут здесь
}
3. В вашей активности (MainActivity), добавьте метод для вызова из кода Kotlin:
external fun renderFrame()
class MainActivity : AppCompatActivity() {
override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
super.onCreate(savedInstanceState)
setContentView(R.layout.activity_main)
}
override fun onResume() {
super.onResume()
renderFrame()
}
companion object {
init {
System.loadLibrary("native-lib")
}
}
}
4. Теперь вы можете использовать шейдеры в методе renderFrame в native-lib.cpp для создания программы шейдеров, передачи данных и рендеринга графики. Это будет включать в себя работу с OpenGL ES API и написание шейдеров на языке GLSL.
Обратите внимание, что использование OpenGL ES или Vulkan требует знания низкоуровневых графических API, а написание шейдеров требует знания языка GLSL.