Für die gängigen Computerspiele führen moderne Grafikkarten viele Berechnungen selbstständig aus und rendern 3D-Szenen in akzeptabler Qualität. Eine realistischere Darstellung schaffen Shader-Programme, die auf dem Grafikchip laufen und unter Linux in der Hochsprache Cg programmiert wurden.
OpenGL ist der Standard für 3D-Grafik unter Linux[1], [2]. Die Grafikkarte selbst ließ sich bislang damit jedoch nicht programmieren. Die neueste Generation von Grafikkarten erlaubt es, eigene kleine Programme (Shader) zu schreiben, die der Grafikchip (GPU, Graphics Processing Unit) selbst abarbeitet und Modelle dadurch schneller und realistischer rendert.
Grafikkarten sind vor allem auf eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ausgelegt. Deshalb benutzen sie vereinfachte physikalische Modelle und Algorithmen, um Licht, Farbeffekte und Texturen zu berechnen. Bei programmierbarer Grafikhardware entscheidet der Entwickler, ob er ein schnelleres Rendering oder lieber eine realistischere Szene erreichen will. Shader bieten ihm beide Möglichkeiten gleichzeitig.
Die Idee der Shader stammt aus den Studios für Animationsfilme. So schuf die Firma Pixar in den späten 80er Jahren für ihr Rendering-Interface Renderman eine eigene Shader-Sprache[3]. Die Anwendung beschränkte sich jedoch auf das relativ langsame Batch-Rendering einzelner Filmframes. Mit einem Shader berechnen die Renderer - egal ob in Echtzeit oder nicht - für jeden Geometriepunkt respektive dargestellten Pixel das Aussehen, statt nur statisch eine einzige Farbe oder Textur zu verwenden. Trotz einfacher Geometrie erscheinen damit gerenderte Objekte mit komplexer Oberflächenstruktur.
Moderne Grafikkarten beherrschen diese Technologie in Echtzeit. Der Programmierer lädt seinen Shader-Code in die Karte und die führt ihn während des Renderings sehr schnell für jeden einzelnen Punkt aus. Musste der Programmierer bislang zu einer Assembler-Sprache greifen, die dem eingesetzten Grafikchip entspricht, gibt es dafür mittlerweile Hochsprachen. Ein Compiler übersetzt den in einer solchen Sprache abgefassten Shader in Code für die jeweilige GPU. Shader beschreiben keine Geometrien oder Objekte, das ist immer noch die Aufgabe von OpenGL. Aber sie beeinflussen, wie die Grafikkarte Transformationen, Licht und Farben verarbeitet.
Da Shader-Programmierung stark von der Hardware abhängt, ist es nötig, sich mit deren Arbeitsweise zu beschäftigen. Der funktionale Aufbau einer 3D-Grafikkarte wird als Grafik-Pipeline bezeichnet. Schrittweise rechnet sie dreidimensionale Punkte (Vertices), die die Geometrie beschreiben, in farbige Punkte (Pixel) des zweidimensionalen Framebuffers um. Den kann man sich als großes Raster vorstellen, das auf dem Bildschirm erscheint (Abbildung 1).
Abbildung 1: Vereinfachte OpenGL-Grafik-Pipeline. Die Teile, die sich bei neueren Grafikkarten frei programmieren lassen, sind blau hinterlegt.
Vertices enthalten neben den Koordinaten (x, y, z) auch Texturkoordinaten. Pixel bestehen meist aus drei Farbwerten (RGB, Rot-, Grün- und Blau-Anteile) und einem Alphawert (A), der die Transparenz angibt. Vertex-Shader werden von der GPU für jeden Geometriepunkt (Vertex) eines Modells ausgeführt. Pixel-Shader kommen erst in einer späteren Stufe der Pipeline dran, wenn die GPU aus dem Modell bereits ein Rasterbild berechnet hat (siehe Abbildung 1).
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