Sombreadora: Explorando los reinos visuales con Shader: un viaje a la visión por computadora

Por Fouad Sabry

Qué es Shader

En gráficos por computadora, un sombreador es un programa de computadora que calcula los niveles apropiados de luz, oscuridad y color durante la renderización de una escena 3D. un proceso conocido como sombreado. Los sombreadores han evolucionado para realizar una variedad de funciones especializadas en efectos especiales de gráficos por computadora y posprocesamiento de video, así como también computación de uso general en unidades de procesamiento de gráficos.

Cómo se beneficiará

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Shader

Capítulo 2: OpenGL

Capítulo 3: Direct3D

Capítulo 4: Lenguaje de sombreado de alto nivel

Capítulo 5: OpenGL ES

Capítulo 6: Canalización de gráficos

Capítulo 7: Lenguaje de sombreado

Capítulo 8: Representación de software

Capítulo 9: Lenguaje de sombreado OpenGL

Capítulo 10: Iluminación de gráficos por computadora

( II) Responder las principales preguntas del público sobre sombreadores.

(III) Ejemplos del mundo real sobre el uso de sombreadores en muchos campos.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o información básica para cualquier tipo de Shader.

 

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 14 may 2024

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Capítulo 1: Sombreador

Los sombreadores son programas informáticos que se utilizan en gráficos por ordenador y que determinan cómo se deben representar la luz, la oscuridad y el color en un entorno 3D. Los sombreadores han progresado para servir a una amplia gama de propósitos, desde la computación de propósito general en unidades de procesamiento de gráficos hasta tareas especializadas en gráficos por computadora y posprocesamiento de video.

Los sombreadores convencionales son responsables del cálculo flexible de los efectos de representación en el hardware de gráficos. Si bien no es estrictamente necesario, la mayoría de los sombreadores están escritos para ejecutarse en una unidad de procesamiento de gráficos (GPU). La canalización tradicional de función fija para la representación de GPU, que solo permitía transformaciones de geometría estándar y sombreado de píxeles, ha sido reemplazada en gran medida por el modelo de programación de sombreadores más flexible y potente. Un shader es un programa informático que modifica una imagen producida cambiando su posición y color (tono, saturación, brillo y contraste) utilizando técnicas definidas en el shader y mediante la introducción de variables externas o texturas.

En la postproducción, el CGI y los videojuegos, los sombreadores se utilizan para crear una amplia variedad de efectos visuales. Los sombreadores se utilizan para una amplia variedad de efectos más allá de los modelos de iluminación simples, que incluyen, entre otros: cambiar el tono, la saturación, el brillo (HSL / HSV) o el contraste de una imagen; creación de desenfoque, floración de la luz, iluminación volumétrica, mapeo normal (para efectos de profundidad), bokeh, sombreado de cel, posterización, mapeo de relieve, distorsión, incrustación de croma (para los llamados efectos de pantalla azul/pantalla verde), detección de bordes y desenfoque de movimiento; y efectos psicodélicos como los vistos.

Pixar popularizó este sentido de la palabra shader con la versión 3.0 de la especificación de interfaz RenderMan, lanzada por primera vez en mayo de 1988. Con el lanzamiento de Direct3D 10 y OpenGL 3.2, los sombreadores de geometría estaban disponibles. Después de un tiempo, el hardware gráfico convergió en un modelo de sombreador estándar.

Las características de un vértice o un píxel se pueden describir utilizando sombreadores, que son pequeños programas. Las características de un vértice se describen mediante sombreadores de vértices (como su posición, coordenadas de textura, colores, etc.), mientras que las características de un píxel se describen mediante sombreadores de píxeles (como su color, profundidad z y valor alfa). Cada vértice de una primitiva (potencialmente después de la teselación) desencadena una llamada al sombreador de vértices, por lo que lo único que ve un sombreador de vértices es a sí mismo. A continuación, los píxeles que componen cada vértice se dibujan en una superficie (un fragmento de memoria) y se pasan a la pantalla.

Los sombreadores toman el lugar de la canalización de función fija (FFP) del hardware de gráficos, llamada así debido a la naturaleza predeterminada con la que maneja tareas como la iluminación y el mapeo de texturas. Los sombreadores ofrecen una alternativa más flexible y programática a este tipo de codificación inflexible.

Esta es la canalización gráfica fundamental:

Tanto los datos de geometría como las instrucciones (programas compilados de lenguaje de sombreado) se envían desde la CPU a la GPU de la tarjeta gráfica.

El sombreador de vértices es donde tienen lugar las transformaciones de geometría.

Cuando se carga un sombreador de geometría en la GPU y está activo, se realizan algunas modificaciones en la geometría de la escena.

Las geometrías de escena se pueden particionar si hay un sombreador de teselación presente en la GPU y habilitado.

La triangulación se utiliza en el cálculo de la geometría (subdividida en triángulos).

Los triángulos se dividen en cuadrantes de fragmentos (un cuadrante de fragmentos es una primitiva de fragmentos de 2 × 2).

El sombreador de fragmentos afecta a los cuadrantes de fragmentos de varias maneras.

Los fragmentos que superan la prueba de profundidad se dibujan en la pantalla y, potencialmente, se fusionan con otros fotogramas en el búfer de fotogramas.

Estos procedimientos son utilizados por la canalización gráfica para aplanar datos tridimensionales (o bidimensionales) en información bidimensional visualizable. En pocas palabras, se trata de una matriz de píxeles masiva, a veces conocida como búfer de fotogramas.

Los sombreadores de píxeles, los sombreadores de vértices y los sombreadores de geometría son los más frecuentes, sin embargo, hay más. A diferencia de las tarjetas gráficas anteriores, que tenían unidades de procesamiento dedicadas para cada tipo de sombreador, las tarjetas contemporáneas tienen sombreadores unificados que pueden ejecutar cualquier sombreador. Debido a esto, las tarjetas gráficas pueden hacer un mejor uso de sus recursos.

En el campo de los gráficos por computadora, las imágenes digitales (también conocidas como texturas) son el objetivo de la manipulación de los sombreadores 2D. Las características de los píxeles son cambiadas por ellos. Es posible que los sombreadores 2D ayuden a representar la geometría 3D. Los sombreadores de píxeles son el único tipo existente de sombreador 2D.

Los sombreadores de fragmentos, o sombreadores de píxeles, son responsables de calcular el color y otros atributos de cada fragmento de trabajo de representación, que no afecta a más de un único píxel de salida. Los sombreadores de píxeles más simples tienen una sola entrada y salida del valor de color de un solo píxel en la pantalla, mientras que los sombreadores más complicados pueden procesar numerosas entradas y salidas. Existe una amplia variedad de sombreadores de píxeles, algunos de los cuales simplemente generan un color constante, otros que aplican un valor de iluminación y otros que hacen mapeo de relieve, sombras, reflejos especulares, translucidez y otros efectos. En el caso del almacenamiento en búfer Z, pueden cambiar la profundidad del fragmento y, al renderizarlo en varios destinos, pueden generar más de un color. Algunos efectos complicados en los gráficos 3D no se pueden lograr con solo un sombreador de píxeles, ya que opera en un solo fragmento y no tiene contexto para la geometría de la escena (es decir, datos de vértices). Los sombreadores de píxeles, por otro lado, son conscientes de la coordenada de la pantalla que se representa y pueden tomar una muestra de la pantalla y los píxeles vecinos si la pantalla completa se proporciona al sombreador como una textura. Este método puede hacer posible que los sombreadores de dibujos animados/celdas hagan uso de una amplia gama de efectos de posprocesamiento, desde el desenfoque hasta la detección y mejora de bordes. Mientras que los sombreadores de vértices solo se pueden usar con una escena 3D, los sombreadores de píxeles se pueden aplicar en cualquier punto de la canalización a cualquier imagen 2D (como sprites o texturas). Por ejemplo, solo se puede usar un sombreador de píxeles como postprocesador o filtro para una transmisión de video rasterizada.

Los sombreadores 3D modifican la apariencia de mallas y modelos en el espacio 3D manipulando sus colores y texturas. La forma más antigua de sombreadores 3D, los sombreadores de vértices, modifican cada vértice de forma independiente. Las iteraciones recientes de sombreadores de geometría incluyen un generador de vértices en el sombreador. Los sombreadores de teselación son el tipo más actualizado de sombreadores 3D; Realizan operaciones de masa en grupos de vértices a la vez para aumentar el realismo, por ejemplo, subdividiendo dinámicamente un modelo en grupos más pequeños de triángulos u otras primitivas para mejorar cosas como curvas y relieves, o alterando otros atributos.

El tipo más común de sombreador 3D, los sombreadores de vértices se ejecutan una vez por cada vértice pasado a la GPU. El objetivo es asignar la posición 3D de cada vértice en el espacio virtual a su coordenada 2D correspondiente en la pantalla (así como un valor de profundidad para el búfer Z). Si bien un sombreador de vértices puede modificar los atributos de los vértices existentes, como las coordenadas de color y textura, no puede generar ninguno nuevo. La salida del sombreador de vértices se transmite al siguiente nivel de la canalización, que puede ser un sombreador de geometría o el rasterizador, según la configuración. El uso de sombreadores de vértices permite la manipulación detallada de las ubicaciones, rotaciones, traslaciones, iluminación y color de