Cg (programovací jazyk) - Cg (programming language) - Wikipedia

Cg / HLSL
HLSL-Příklady-1.PNG
Scéna obsahující několik různých shaderů 2D HLSL. Zkreslení sochy je dosaženo čistě fyzicky, zatímco struktura obdélníkového rámečku vedle ní je založena na intenzitě barev. Náměstí v pozadí bylo transformovaný a otočeno. Částečné průhlednost a odraz vody v popředí jsou přidány shaderem aplikovaným nakonec na celou scénu.
Rodinastínovací jazyk
VývojářnVIDIA, Microsoft
webová stránkavývojář. nvidia.com/ cg-toolkit
Dialekty
Cg, HLSL, Playstation Shading Language
Ovlivněno
C, Stínovací jazyk RenderMan
Ovlivněno
GLSL

Cg (zkratka pro C pro grafiku) a Stínovací jazyk na vysoké úrovni (HLSL) jsou dvě jména daná vysoké úrovni stínovací jazyk vyvinutý uživatelem Nvidia a Microsoft pro programování shadery. Cg / HLSL je založen na Programovací jazyk C. a ačkoli sdílejí stejnou základní syntaxi, byly některé vlastnosti C upraveny a byly přidány nové datové typy, aby Cg / HLSL bylo vhodnější pro programování jednotky grafického zpracování.[1][2]

Existují dvě hlavní větve jazyka Cg / HLSL: kompilátor Nvidia Cg (cgc), který poskytuje výstup DirectX nebo OpenGL a Microsoft HLSL, který vydává shadery DirectX ve formátu bytecode.[3][4] Cvid společnosti Nvidia byl zastaralé v roce 2012, bez dalšího vývoje nebo podpory k dispozici.[5]

Shadery HLSL mohou umožnit hluboké zvýšení rychlosti a detailů stejně jako mnoho dalších zvláštní efekty ve 2D i 3D počítačová grafika. Jazyk Cg / HLSL původně obsahoval pouze podporu pro shadery vrcholů a shadery pixelů, ale postupně byly zavedeny i další typy shaderů:

Pozadí

Kvůli technickému pokroku v grafickém hardwaru se některé oblasti programování 3D grafiky staly poměrně složitými. Pro zjednodušení procesu byly na grafické karty přidány nové funkce, včetně možnosti upravit jejich vykreslovací kanály pomocí shaderů vrcholů a pixelů.

Na začátku byly vertexové a pixelové shadery programovány na velmi nízké úrovni, pouze s montážním jazykem jednotky pro zpracování grafiky. Přestože použití montážního jazyka dalo programátorovi úplnou kontrolu nad kódem a flexibilitou, jeho použití bylo poměrně těžké. K programování GPU byl potřeba přenosný jazyk vyšší úrovně, a proto byl vytvořen Cg, aby tyto problémy překonal a usnadnil vývoj shaderu.

Některé z výhod používání Cg přes montáž jsou:

  • Kód na vysoké úrovni se snadněji učí, programuje, čte a udržuje než kód sestavení.
  • Cg kód je přenosný na širokou škálu hardwaru a platforem, na rozdíl od montážního kódu, který obvykle závisí na hardwaru a platformách, pro které je napsán.
  • Kompilátor Cg může optimalizovat kód a automaticky provádět úkoly na nižší úrovni, které je těžké provést a náchylné k chybám v sestavení.

Jazyk

Typy dat

Cg má šest základních datových typů. Některé z nich jsou stejné jako v jazyce C, zatímco jiné jsou přidány zejména pro programování GPU. Jsou to tyto typy:

  • plovák - 32bitové číslo s plovoucí desetinnou čárkou
  • polovina - 16bitové číslo s plovoucí desetinnou čárkou
  • int - 32bitové celé číslo
  • pevný - 12bitové číslo pevného bodu
  • bool - logická proměnná
  • sampler * - představuje objekt textury

Cg také obsahuje vektorové a maticové datové typy, které jsou založeny na základních datových typech, jako jsou float3 a float4x4. Takové datové typy jsou při programování 3D grafiky zcela běžné. Cg má také strukturu a datové typy polí, které fungují podobně jako jejich ekvivalenty C.

Operátoři

Cg podporuje širokou škálu operátorů, včetně běžných aritmetických operátorů z C, ekvivalentních aritmetických operátorů pro vektorové a maticové datové typy a společné logické operátory.

Funkce a řídicí struktury

Cg sdílí základní řídicí struktury s C, jako if / else, while a for. Má také podobný způsob definování funkcí.

Sémantika

Předprocesor

Cg implementuje mnoho C preprocesor směrnice a její systém makroexpanze. Implementuje #zahrnout.[7]

Funkce HLSL

  • Jmenný prostor
  • Anotace

životní prostředí

Cíle kompilace

Programy Cg jsou postaveny pro různé shader profily které představují GPU s různými schopnostmi.[8] Tyto profily rozhodují mimo jiné o tom, kolik instrukcí může být v každém shaderu, kolik registrů je k dispozici a jaký druh zdrojů může shader použít. I když je program správný, může být pro zpracování profilu příliš složitý.[7]

S přibývajícím počtem typů profilů a shaderů společnost Microsoft přepnula použití výrazu „Shader Model“ na seskupení sady profilů nalezených v generaci GPU.[9] Cg podporuje některé z novějších profilů až do Shader Model 5.0, stejně jako překlad do glsl nebo hlsl.[8]

Porovnání shaderů pixelů HLSL
Verze shaderu pixelů1,0 až 1,3[10]1.4[10]2.0[10][11]2,0a[10][11][12]2,0b[10][11][13]3.0[10][14]4.0[15]
4.1[16]
5.0[17]
Závislý limit textury468Neomezený8NeomezenýNeomezený
Limit instrukce textury46*232NeomezenýNeomezenýNeomezenýNeomezený
Registr pozicNeNeNeNeNeAnoAno
Instrukční sloty8+48+432 + 64512512≥ 512≥ 65536
Provedené pokyny8+46*2+8*232 + 6451251265536Neomezený
Indukce textury444Neomezený4NeomezenýNeomezený
Interpolované registry2 + 42 + 62 + 82 + 82 + 81032
Predikce instrukceNeNeNeAnoNeAnoNe
Rejstřík vstupních registrůNeNeNeNeNeAnoAno
Temp registry2612 až 322232324096
Konstantní registry8832323222416×4096
Libovolný třpytivýNeNeNeAnoNeAnoAno
Pokyny k přechoduNeNeNeAnoNeAnoAno
Registrovat počet smyčekNeNeNeNeNeAnoAno
Registr obličeje (2stranné osvětlení)NeNeNeNeAnoAnoAno
Dynamické řízení tokuNeNeNeNeNeAno (24)Ano (64)
Bitové operátoryNeNeNeNeNeNeAno
Nativní celá číslaNeNeNeNeNeNeAno
  • PS 1.0 - Nevydaný 3dfx Rampage, DirectX 8.
  • PS 1.1 — GeForce 3, DirectX 8.
  • PS 1.2 — 3Dlaby Wildcat VP, DirectX 8.0a.
  • PS 1.3 — GeForce 4 Ti, DirectX 8.0a.
  • PS 1.4 — Radeon 8500-9250, Matrox Parhelia, DirectX 8.1.
  • Shader Model 2.0 — Radeon 9500-9800 / X300-X600, DirectX 9.
  • Shader Model 2.0a — GeForce FX / PCX optimalizovaný model, DirectX 9.0a.
  • Shader Model 2.0b — Radeon X700-X850 shader model, DirectX 9.0b.
  • Shader Model 3.0 — Radeon X1000 a GeForce 6, DirectX 9.0c.
  • Shader Model 4.0 — Radeon HD 2000 a GeForce 8, DirectX 10.
  • Shader Model 4.1 — Radeon HD 3000 a GeForce 200, DirectX 10.1.
  • Shader Model 5.0 — Radeon HD 5000 a GeForce 400, DirectX 11.
  • Shader Model 5.1 — GCN 1+, Fermi +, DirectX 12 (11_0 +) s WDDM 2.0.
  • Shader Model 6.0 - GCN 1+, Kepler +, DirectX 12 (11_0 +) s WDDM 2.1.
  • Model shaderu 6.1 - GCN 1+, Kepler +, DirectX 12 (11_0 +) s WDDM 2.3.
  • Model shaderu 6.2 - GCN 1+, Kepler +, DirectX 12 (11_0 +) s WDDM 2.4.
  • Model shaderu 6.3 - GCN 1+, Kepler +, DirectX 12 (11_0 +) s WDDM 2.5.
  • Model shaderu 6.4 - GCN 1+, Kepler +, Skylake +, DirectX 12 (11_0 +) s WDDM 2.6.
  • Shader Model 6.5 - GCN 1+, Kepler +, Skylake +, DirectX 12 (11_0 +) s WDDM 2.7.

„32 + 64“ pro Provedené pokyny znamená „32 instrukcí textury a 64 aritmetických instrukcí.“

Porovnání shaderů HLSL Vertex
Verze shaderu vrcholůVS 1.1[18]VS 2.0[11][18][19]VS 2.0a[11][18][19]VS 3.0[14][18]VS 4.0[15]
VS 4.1[20]
VS 5.0[17]
# instrukčních slotů128256256≥ 512≥ 65536
Max. Počet provedených pokynů12810246553665536Neomezený
Predikce instrukceNeNeAnoAnoAno
Temp registry121216324096
# konstantní registry≥ 96≥ 256256≥ 25616×4096
Statické řízení tokuNeAnoAnoAnoAno
Dynamické řízení tokuNeNeAnoAnoAno
Hloubka dynamického řízení tokuN / AN / A242464
Načtení textury vrcholůNeNeNeAnoAno
# vzorkovačů texturN / AN / AN / A4128
Instance geometrie Podpěra, podporaNeNeNeAnoAno
Bitové operátoryNeNeNeNeAno
Nativní celá číslaNeNeNeNeAno

Standardní knihovna

Stejně jako v C, Cg / HLSL obsahuje sadu funkcí pro běžné úkoly v programování GPU. Některé z těchto funkcí mají ekvivalenty v jazyce C, například matematické funkce abs a sin, zatímco jiné se specializují na úlohy programování GPU, například mapování textury funkce tex1D a tex2D.

Runtime knihovna Cg

Programy Cg jsou pouze shadery vrcholů a pixelů a potřebují podpůrné programy, které zvládnou zbytek procesu vykreslování. Cg lze použít se dvěma grafikami API: OpenGL nebo DirectX. Každá z nich má vlastní sadu funkcí Cg pro komunikaci s programem Cg, jako je nastavení aktuálního shaderu Cg, předávání parametrů a takové úkoly.

Kromě možnosti kompilovat zdroj Cg do kódu sestavení má běhový modul Cg také schopnost kompilovat shadery během provádění podpůrného programu. To umožňuje modulu runtime kompilovat shader pomocí nejnovějších optimalizací dostupných pro hardware, na kterém program aktuálně provádí. Tato technika však vyžaduje, aby byl zdrojový kód shaderu k dispozici v prostém textu kompilátoru, což uživateli programu umožňuje přístup ke zdrojovému kódu shaderu. Někteří vývojáři to považují za hlavní nevýhodu této techniky.

Abychom se vyhnuli odhalení zdrojového kódu shaderu a udrželi některé optimalizace specifické pro hardware, byl vyvinut koncept profilů. Shadery lze sestavit tak, aby vyhovovaly různým grafickým hardwarovým platformám (podle profilů). Při provádění podpůrného programu se načte nejlepší / nejoptimalizovanější shader podle jeho profilu. Například může existovat profil pro grafickou kartu, která podporuje komplexní shadery pixelů, a další profil pro jednu, která podporuje pouze minimální shadery pixelů. Vytvořením shaderu pixelů pro každý z těchto profilů podpůrný program rozšiřuje počet podporovaných hardwarových platforem, aniž by byla obětována kvalita obrazu na výkonných systémech. “

Překladače a dialekty

Cg dialekt měl vždy jen jeden kompilátor v podobě Nvidia's Cg toolkit.

Společnost Microsoft vydala dva kompilátory pro HLSL. Původní kompilátor byl FXC s uzavřeným zdrojem (Effect Compiler), podporovaný do roku 2015. Byl zastaralý ve prospěch open-source LLVM - založený na DXC (DirectXShaderCompiler) s podporou novějších funkcí HLSL.[21] Oba kompilátory generují bytecode: zatímco starší FXC používal DXBC, DXC nyní používá DXIL. DXC může také emitovat SPIR-V bytecode.[22]

The Skupina Khronos také napsal kompilátor HLSL založený na LLVM ve formě rozhraní pro glslang, jejich překladač GLSL-to-SPIR_V. Podpora SPIR-V znamená, že shadery mohou být multiplatformní a již je neomezují na zásobník DirectX.[23] Tuto úlohu dříve prováděli převaděči na úrovni zdroje jako HLSL2GLSL, ale výsledný kód je často nafouknutý.[24]

Odvozené jazyky

The Jazyk stínování PlayStation je založen na Cg / HLSL.[25]

Stínovací jazyk ReshadeFX je také založen na Cg / HLSL. Shadery napsané v ReshadeFX jsou kompilovány do OpenGL, DX nebo Vulkan a vkládány do her, aby fungovaly jako filtry pro následné zpracování.[26]

Příklady

Ukázkový shader Cg vrcholu

// vstupní vrcholstruktur VertIn {  float4 poz   : POZICE;  float4 barva : BARVA0;};// výstupní vrcholstruktur VertOut {  float4 poz   : POZICE;  float4 barva : BARVA0;};// hlavní položka shaderu vrcholůVertOut hlavní(VertIn V, jednotný float4x4 modelViewProj) {  VertOut VEN;  VEN.poz     = mul(modelViewProj, V.poz); // výpočet výstupních souřadnic  VEN.barva   = V.barva; // kopírování vstupní barvy na výstup  VEN.barva.z = 1.0F; // modrá složka barvy = 1,0f  vrátit se VEN;}

Aplikace a hry, které používají Cg nebo HLSL

Viz také

Reference

  1. ^ „Fusion Industries :: Cg and HLSL FAQ ::“. 24. srpna 2012. Archivovány od originál dne 24. srpna 2012.
  2. ^ „Cg Tutorial - Kapitola 1. Úvod“. developer.download.nvidia.cn.
  3. ^ "Zápis shaderů HLSL v Direct3D 9 (Windows)". msdn.microsoft.com.
  4. ^ „Cg FAQ“. NVIDIA DesignWorks. 8. března 2011. Citováno 25. května 2017.
  5. ^ „Cg Toolkit | NVIDIA Developer“. 8. března 2011.
  6. ^ https://developer.download.nvidia.com/cg/Cg_2.0/2.0.0012/Cg-2.0_Jan2008_ReleaseNotes.pdf
  7. ^ A b Mark J. Kilgard, Cg ve dvou stránkách, 2003.
  8. ^ A b "Dokumentace profilu Cg". Vývojář Nvidia.
  9. ^ „Shader Models vs Shader Profiles - Win32 apps“. docs.microsoft.com.
  10. ^ A b C d E F „Rozdíly Pixel Shader“. msdn.microsoft.com. 2011-02-08.
  11. ^ A b C d E Peeper, Craig (2004-03-15). „Microsoft DirectX High Level Shader Language (HLSL)“ (PPT). microsoft.com. str. 5–8, 24–25.
  12. ^ Shimpi, Anand Lal. „NVIDIA představuje GeForce FX (NV30)“.
  13. ^ Wilson, Derek. „ATI Radeon X800 Pro a XT Platinum Edition: R420 dorazí“.
  14. ^ A b Shader Model 3.0, Ashu Rege, NVIDIA Developer Technology Group, 2004.
  15. ^ A b Systém Direct3D 10, David Blythe, Microsoft Corporation, 2006.
  16. ^ „Registers - ps_4_1 (Windows)“. msdn.microsoft.com.
  17. ^ A b „Registers - ps_5_0 (Windows)“. msdn.microsoft.com.
  18. ^ A b C d „Rozdíly shaderu vrcholů“. msdn.microsoft.com. 2011-02-08.
  19. ^ A b Shimpi, Anand Lal. „NVIDIA představuje GeForce FX (NV30)“.
  20. ^ „Registers - vs_4_1 (Windows)“. msdn.microsoft.com.
  21. ^ „Přenos z FXC na DXC“. GitHub.
  22. ^ „microsoft / DirectXShaderCompiler: This repo hosts the source for the DirectX Shader Compiler which is based on LLVM / Clang“. Microsoft. 21. října 2020.
  23. ^ „glslang: Khronos-referenční frontend pro GLSL / ESSL, částečný frontend pro HLSL a generátor SPIR-V“. Skupina Khronos. 21. října 2020.
  24. ^ Matt Turner. Video na Youtube.
  25. ^ Stenson, Richard; Ho, Chrisi. „PlayStation Shading Language pro PS4“. GDC Europe 2013.
  26. ^ "Stínovací jazyk ReShade FX". GitHub.
  27. ^ „Plug-in Maya Cg | NVIDIA“.
  28. ^ „LightWave - přehled funkcí 11.6“.
  29. ^ „Unity - Manual: Writing Shaders“.

Další čtení

externí odkazy