Fragment Shader — bu nədir, vəzifələri və iş prinsipi

Fragment Shader nədir?

Fragment Shader (frament və ya piksel şeyderi) — qrafik konveyerinin proqramlaşdırıla bilən mərhələsidir, təsvirin hər bir framentinin son rəngini hesablayır. Frament — dərinlik və trafaret testlərindən keçdikdən sonra ekranda görünən pikselə çevrilən potensial pikseldir.

Fragment Shader rastrlaşdırmadan sonra, üçölçülü primitivlər (üçbucaqlar) artıq framentlər dəstinə çevrildikdə icra olunur. Şeyder girişdə interpolyasiya olunmuş atributları — Vertex Shader-də üçbucağın təpə nöqtələri üçün hesablanmış və onun daxilindəki hər piksel üçün xətti interpolyasiya olunmuş tekstur koordinatlarını, normalları, rəngləri alır.

Fragment Shader-in təkamül tarixi

Proqramlaşdırıla bilən şeyderlər meydana gəlməzdən əvvəl (DirectX 8 / OpenGL 2.0-dan əvvəl) piksel rənginin hesablanması məhdud əməliyyat dəsti ilə sabit konveyer tərəfindən həyata keçirilirdi. Proqramlaşdırıla bilən Fragment Shader 2001-ci ildə ortaya çıxdı və qrafika imkanlarını kökündən genişləndirdi: proqramçılar hər pikselin rəngi üzərində tam nəzarət əldə etdilər, bu da fotorealistik işıqlandırma, mürəkkəb materiallar və post-effektləri həyata keçirməyə imkan verdi.

Fragment Shader necə işləyir?

Fragment Shader rastrlaşdırıcı tərəfindən yaradılan hər frament üçün GPU tərəfindən işə salınır. Şeyderin hər çağırışı bir framenti emal edir, onun giriş məlumatlarını oxuyur, istifadəçi kodunu icra edir və çıxış dəyərini — framentin rəngini RGBA formatında yazır.

Giriş və çıxış məlumatları

Fragment Shader-in giriş məlumatlarına Vertex Shader-dən interpolyasiya olunmuş atributlar (tekstur koordinatları, normallar, rənglər), uniform dəyişənlər (işıq mənbələri, matrislər) və tekstur samplerləri daxildir. Çıxış məlumatları — rəng vektoru (OpenGL ES 2.0-da gl_FragColor və ya ES 3.0-da istifadəçi dəyişəni), rəng buferinə yazılır.

#version 300 es
precision mediump float;

in vec2 vTexCoord;
uniform sampler2D uTexture;
out vec4 fragColor;

void main() {
    fragColor = texture(uTexture, vTexCoord);
}

Fragment Shader-in əsas vəzifələri

Fragment Shader təsvirin vizual keyfiyyətinə cavabdehdir. İstifadəçinin ekranda gördüyü bütün effektlər — rəng, kölgələr, əks etdirmələr, şəffaflıq — məhz qrafik konveyerinin bu mərhələsində hesablanır.

Teksturlama

Ən çox yayılmış əməliyyat — interpolyasiya olunmuş UV koordinatları üzrə teksturdan rəng seçmək. Sampler2D və texture() funksiyası tekstur atlasından piksel rəngini əldə etməyə imkan verir. Filtrasiya (bilinear, trilinear, anizotrop) sampler parametrləri ilə idarə olunur və müxtəlif baxış bucaqlarında təsvirin aydınlığına təsir edir.

Phong işıqlandırması

Phong işıqlandırma modeli (Phong shading) Fragment Shader-də hər piksel üçün hesablanır ki, bu da təpə işıqlandırmasından (Gouraud shading) daha hamar parıltılar verir. Phong lighting üç komponentdən ibarətdir: ambient (fon), diffuse (yayılmış) və specular (güzgü əks etdirmə).

// Phong işıqlandırması ilə frament şeyderi
in vec3 vNormal;
in vec3 vPosition;
uniform vec3 uLightDir;
uniform vec3 uLightColor;

void main() {
    vec3 norm = normalize(vNormal);
    float diff = max(dot(norm, uLightDir), 0.0);
    fragColor = vec4(uLightColor * diff, 1.0);
}

Post-effektlər və blending

Fragment Shader post-emal tətbiq etməyə imkan verir: LUT cədvəlləri ilə rəng korreksiyası, bulanıqlıq (blur), parıltı effekti (bloom) və HDR renderləmə üçün tonemapping. Bütün bu effektlər piksel səviyyəsində işləyir və real vaxtda icra olunur.

Fragment Shader performansı və optimallaşdırma

Fragment Shader performansı — müasir mobil oyunlarda FPS-i məhdudlaşdıran əsas amildir. Şeyder hər piksel üçün çağırıldığından, kod mürəkkəbliyindəki hətta kiçik artım kadr tezliyində nəzərəçarpacaq azalmaya səbəb ola bilər.

Əsas performans problemləri

• Overdraw — obyektlərin üst-üstə düşməsi səbəbindən eyni pikselin təkrar çəkilməsi. Xüsusilə yarımşəffaf obyektlər üçün kritikdir.
• Şərti keçidlər — Fragment Shader-də budaqlanmalar SIMD icrasının səmərəliliyini azaldır, çünki GPU hər iki budağı icra etməli olur.
• Tekstur seçmələri — hər tekstur seçməsi (texture lookup) onlarla GPU dövrü gecikməyə malikdir. Samplerlərin sayını minimuma endirmək şeyderi sürətləndirir.

Fragment Shader optimallaşdırma metodları

Mobil GPU-lar (Qualcomm Adreno, ARM Mali) üçün tövsiyə olunur: float dəyişənlər üçün mediump precision istifadə etmək, tekstur seçmələrini birləşdirmək, şeyderi icra etməzdən əvvəl görünməz framentləri atmaq üçün early-z testləri tətbiq etmək.

Fragment Shader vs Vertex Shader: müqayisə

Hər iki şeyder növü proqramçı tərəfindən proqramlaşdırılır, lakin konveyerin müxtəlif mərhələlərində işləyir və müxtəlif vəzifələri həll edir. Fragment Shader çağırışların sayına görə əhəmiyyətli dərəcədə daha çox resurs tutumludur.

Fragment Shader kod nümunələri

Fragment Shader sadə (teksturdan seçmə) və ya mürəkkəb (çoxqatlı işıqlandırma) ola bilər. İki praktik nümunəyə baxaq: əsas teksturlama və vaxtdan istifadə edərək gradient effekti.

GLSL-də əsas teksturlama

#version 300 es
precision mediump float;
in vec2 vTexCoord;
in vec3 vColor;
uniform sampler2D uDiffuseMap;
out vec4 fragColor;

void main() {
    vec4 texColor = texture(uDiffuseMap, vTexCoord);
    fragColor = texColor * vec4(vColor, 1.0);
}

Metal Shading Language nümunəsi

#include <metal_stdlib>
using namespace metal;

struct FragmentIn {
    float2 texCoord;
    float3 normal;
};

fragment float4
fragmentMain(FragmentIn in [[stage_in]],
              texture2d<float> tex [[texture(0)]]) {
    constexpr sampler s(filter = linear);
    float4 color = tex.sample(s, in.texCoord);
    return color;
}