Programowanie karty graficznej - shadery

Początkowo w tytuł miał brzmieć tylko "Programowanie karty graficznej" jednak od jakiegoś czasu (kilku lat właściwie) taki tytuł jest niejednoznaczny. Pod terminem programowanie karty graficznej kryje się zarówno pisanie shaderów w ramach programowalnego potoku renderingu jak i użycie technologii takich jak CUDA, OpenCL i DirectCompute (czyli wykorzystanie mocy obliczeniowej karty graficznej do dowolnego zadania). Tym razem zajmę się pierwszym zagadnieniem czyli tym do czego karty graficzne powstały.

 Aktualnie najbardziej popularne API graficzne to OpenGL i Direct3D (wchodzące w skład "bezpośredniego X" :)). Obie biblioteki obsługują programowalny potok renderingu i mają własne wysokopoziomowe języki do pisania shaderów. Własne jest tutaj słowem kluczowym ponieważ oba języki są inne i niekompatybilne. Dlatego jest też trzecia droga :) opracowany przez NVIDIA (we współpracy z Microsoft dlatego jest podobny do HLSL) język Cg.

Na co komu trzecie rozwiązanie? Odpowiedź jest oczywista - aby mieć jeden by wszystkimi rządzić - niebywałą zaletą Cg jest to że współpracuje z obiema bibliotekami.
Jak to działa? Najpierw potrzebujemy Cg Toolkit (dostępny za darmo) z którym są dwie możliwości.

1. Dodajemy biblioteki do obsługi Cg i w ten sposób importujemy i obsługujemy shadery. Ten sposób ma tę zaletę, że każdy shader będzie kompilowany przy uruchomieniu aplikacji i będzie optymalizowany pod obecną kartę graficzną (przynajmniej tak chwalą się twórcy w dokumentacji)
2. Możemy też skompilować shader do użycia z wybraną przez nas biblioteką i pod wybraną wersję Pixel i Vertex Shadera i używać go jakby został napisany w języku natywnym dla wybranej biblioteki.

Jednak najbardziej w wykorzystaniu Cg podobają mi się pliki efektów CgFX. Czym jest efekt? Jest to zbiór technik pozwalających uzyskać jakiś efekt. Dzięki temu można w jednym pliku zdefiniować kilka technik kompatybilnych z różnymi wersjami shaderów i wybrać najnowszą obsługiwaną wersję.

Pojedyncze technika natomiast może zawierać kilka przejść (z ang. pass) co w połączeniu z prostym API pozwala na tworzenie złożonych efektów bez potrzeby specjalnego budowania kodu w celu ich uzyskania (trzeba tylko dodawać odpowiednie zmienne, jednak plik efektu pozwala na zastosowanie domyślnej wartości). Tak wygląda najprostszy efekt (niestety nie ma kolorowania składni):

float4x4 ModelViewProj : ModelViewProjection;

void PassThru_vs(float4 position : POSITION,
             float4 color : COLOR,
             
         out float4 oPosition : POSITION,
         out float4 oColor : COLOR,
         
     uniform float4x4 modelViewProj)
{
    oPosition = mul(modelViewProj, position);
    oColor = color;
}

float4 PassThru_ps(float4 color : COLOR) : COLOR
{
    return color;
}

Technique PassThru
{
    pass PassThru_0
    {
        VertexProgram = compile vp20 PassThru_vs(ModelViewProj);
        FragmentProgram = compile fp20 PassThru_ps();
    }
}

Wszystko fajnie ale za Cg stoi NVIDIA więc co z kartami innych producentów? Nie ma problemu, shader kompilowany jest pod konkretne profile które odpowiadają odpowiednim wersją shaderów więc każda karta która trzyma się standardów będzie poprawnie obsługiwać tak napisany program.