Shader-ohjelma

Shader-ohjelma (toisinaan vain shader tai ohjelma, kirjaimellisesti ”varjostin”) on ohjelma, joka mahdollistaa grafiikkaliukuhihnan muokkaamisen ja on kirjoitettu tarkoitukseen suunnatulla kielellä. Nimitys johtuu historiallisista syistä. Robert L. Cookin artikkeli Shade Trees julkaistiin vuonna 1984 ja RenderManin RenderMan Shading Language -kieli kehittyi tästä ideasta.

RenderManin kieltä on yritetty soveltaa myös grafiikkasuorittimille (GPU), jolloin havaittiin tärkeiden toimintojen puuttuminen täyteen ohjelmoitavuuteen.

Grafiikkasuorittimien ominaisuudet ovat kehittyneet kiinteätoimisista (konfiguroitavista) suuremmalle ohjelmoitavuudelle. Tyypillisessä grafiikkaliukuhihnassa on vaiheet:
 (verteksit) verteksikohtainen muunnos näyttöavaruuteen
 (rasterointi) kolmiokohtainen iteraatio, perspektiivikorjaus
 (pikseli) pikselikohtainen varjostus
 (lopputuloksen yhdistäminen) varjostuksen yhdistäminen väri- ja syvyyspuskurien kanssa

Ohjelmoitavassa liukuhihnassa vaiheiden järjestys on kiinteä, mutta niiden toteutus on ohjelmoitavissa. Aluksi ohjelmoitavuus keskittyi pikselien varjostukseen, mutta shader-mallien kehityksen myötä myös muut vaiheet tulivat ohjelmoitaviksi sekä merkittäviä uusia vaiheita kuten geometrian käsittely. Sonyn PlayStation 3:ssa ja Microsoftin Xbox 360:ssa oli mukana edistyneet ominaisuudet (Shader Model 3.0) ja kiinteätoiminen liukuhihna oli vähentynyt: Nintendon Wii oli mahdollisesti viimeinen kiinteätoimista liukuhihnaa käyttävä pelikonsoli.

Grafiikkasuorittimien varhainen ohjelmointi suoritettiin assemblyn kaltaisella kielellä, mutta myöhemmin on rajattu mahdollisuudet käyttämään vain korkean tason ohjelmointikieliä kuten HLSL ja GLSL (OpenGL Shading Language): assembly on näkyvillä vain debuggausta varten.
Unified Shader -mallissa grafiikkaliukuhihnan eri vaiheilla on samat ominaisuudet.

Shader-tyypit 
Vertex shader suoritetaan mallin ja näkymän muunnoksien () sekä projektion vaiheessa. Vertex shaderin käyttökohteita ovat muun muassa hahmon liikkeiden animointi ja veden pinnan muodonmuutokset.
Pixel shader viittaa ohjelmaan, joka suoritetaan pikselikohtaisessa vaiheessa ja laskee efektin pikselikohtaisesti.

Fragment shader on suoritusvaihe, joka käsittelee rasteroinnin tuottaman fragmentin. Fragment viittaa kolmion osaan, joka on päällekkäinen pikselin kanssa.

Geometry shader on heti verteksivaiheen jälkeen suoritettava, jolle annetaan primitiivi sekä mahdollisesti siihen liittyvät ja se voi tuottaa useampia primitiivejä (lisäys) tai ei yhtään (poistaminen). Geometry shader on valinnainen ja voidaan käyttää tesselaatioon ennen verteksien jälkikäsittelyä. Tesselaatioon on myös Tessellation Control Shader sekä Tessellation Evaluation Shader. Sonylla ja Microsoftilla on tesselaation käsittelyvaiheet (hull- ja domain-vaiheet).

AMD on esitellyt vuonna 2017 Vega-arkkitehtuurin myötä primitive shader -tyyppisen geometriavaiheen, joka on computer shaderin kaltainen tiedon käsittelyssä. Tämän tavoitteena on tehokkaampi primitiivien poisto ja siten tehokkaampi renderöinti. Nvidia on esitellyt Turing-arkkitehtuurin myötä vastaavan mesh shader -vaiheen. Vulkan-rajapinnassa mesh-shader toimii vaihtoehtoisena geometrian käsittelynä ja yksinkertaistaa geometrian käsittelyn pienempään määrään vaiheita tarjoamalla vaihtoehdon perinteisille verteksi-, tesselaatio- ja geometria-vaiheille. Mesh-shaderin kanssa voi käyttää valinnaista task-shader vaihetta (amplification shader DirectX:ssä), joiden tuloksen voi syöttää suoraan rasterointiin. Geometrian käsittelyn lisäksi mesh-shader voi tehdä yksinkertaisia laskentaoperaatioita.

Compute shader on laskennalliseen GPGPU-käyttöön suunnattu ohjelma, joka ei ole osa normaalia renderöintiliukuhihnaa. Laskennalliseen käyttöön on kehitetty arkkitehtuurit kuten Nvidian CUDA, Microsoftin DirectCompute sekä OpenCL, jotka käyttävät SPMD-ohjelmointimallia (Single Program Multiple Data). SPMD-mallit käyttävät SIMD-ytimiä ja ohittavat grafiikkaliukuhihnan käyttäen vain yhtä laskentavaihetta.

Kieliä 
Kieliä on kehitetty lukuisia sekä offline-renderöintiin (elokuvateollisuus) että reaaliaikaiseen käyttöön.

Offline-renderöinti 
 RenderMan Shading Language
 Houdini-ohjelmiston VEX
 Gelato-ohjelmiston kieli
 Open Shading Language

Reaaliaikainen renderöinti 
 ARB assembly language, Khronos Group
 OpenGL shading language (GLSL, GLSLang), standardoitu
 Cg, Nvidia
 HLSL, (High-Level Shading Language), Microsoft
 PlayStation Shader Language, Sony
 Metal Shading Language, Apple

Lähteet 

Tietokonegrafiikka
Ohjelmointi