Fragment Shader — co to je, úkoly a princip fungování

Co je Fragment Shader?

Fragment Shader (fragmentový nebo pixelový shader) — je programovatelná fáze grafické pipeline, která vypočítává konečnou barvu každého fragmentu obrázku. Fragment je potenciální pixel, který se po absolvování testů hloubky a šablony stává viditelným pixelem na obrazovce.

Fragment Shader se provádí po rasterizaci, kdy byly trojrozměrné primitivy (trojúhelníky) již převedeny na sadu fragmentů. Shader na vstupu přijímá interpolované atributy — texturové souřadnice, normály, barvy, které byly vypočteny ve Vertex Shader pro vrcholy trojúhelníku a lineárně interpolovány pro každý pixel uvnitř něj.

Historie vývoje Fragment Shader

Před příchodem programovatelných shaderů (před DirectX 8 / OpenGL 2.0) byl výpočet barvy pixelu prováděn pevnou pipeline s omezenou sadou operací. Programovatelný Fragment Shader se objevil v roce 2001 a radikálně rozšířil možnosti grafiky: vývojáři získali plnou kontrolu nad barvou každého pixelu, což umožnilo realizovat fotorealistické osvětlení, komplexní materiály a post-efekty.

Jak funguje Fragment Shader?

Fragment Shader je spouštěn GPU pro každý fragment generovaný rasterizátorem. Každé volání shaderu zpracovává jeden fragment, čte jeho vstupní data, provádí uživatelský kód a zapisuje výstupní hodnotu — barvu fragmentu ve formátu RGBA.

Vstupní a výstupní data

Vstupní data Fragment Shader zahrnují interpolované atributy z Vertex Shader (texturové souřadnice, normály, barvy), uniformní proměnné (zdroje světla, matice) a texturové samplery. Výstupní data — barevný vektor (gl_FragColor v OpenGL ES 2.0 nebo uživatelská proměnná v ES 3.0), který je zapsán do barevného bufferu.

#version 300 es
precision mediump float;

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

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

Hlavní úkoly Fragment Shader

Fragment Shader je zodpovědný za vizuální kvalitu obrazu. Všechny efekty, které uživatel vidí na obrazovce — barva, stíny, odrazy, průhlednost — se počítají právě v této fázi grafické pipeline.

Texturování

Nejčastější operace — získání barvy z textury podle interpolovaných UV souřadnic. Sampler2D a funkce texture() umožňují získat barvu pixelu z texturového atlasu. Filtrace (bilineární, trilineární, anizotropní) je řízena parametry samplera a ovlivňuje ostrost obrazu při různých úhlech pohledu.

Osvětlení Phong

Model osvětlení Phong (Phong shading) se počítá ve Fragment Shader pro každý pixel, což poskytuje hladší odlesky než vrcholové osvětlení (Gouraud shading). Phong lighting zahrnuje tři složky: ambient (okolní), diffuse (difuzní) a specular (zrcadlový odraz).

// Fragment shader s Phong osvětlením
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-efekty a blending

Fragment Shader umožňuje aplikovat post-processing: korekci barev pomocí LUT tabulek, rozostření (blur), efekt záře (bloom) a tonemapping pro HDR renderování. Všechny tyto efekty pracují na úrovni pixelů a jsou prováděny v reálném čase.

Výkon Fragment Shader a optimalizace

Výkon Fragment Shader — hlavní faktor omezující FPS v moderních mobilních hrách. Protože je shader volán pro každý pixel, i malé zvýšení složitosti kódu může vést k znatelnému poklesu snímkové frekvence.

Hlavní problémy výkonu

• Overdraw — překreslování stejného pixelu kvůli překrývání objektů. Zvláště kritické pro poloprůhledné objekty.
• Podmíněné větvení — větvení ve Fragment Shader snižuje účinnost provádění SIMD, protože GPU musí provádět obě větve.
• Vzorkování textur — každé vzorkování textury (texture lookup) má zpoždění desítek cyklů GPU. Minimalizace počtu samplerů urychluje shader.

Metody optimalizace Fragment Shader

Pro mobilní GPU (Qualcomm Adreno, ARM Mali) se doporučuje: použití mediump precision pro float proměnné, kombinování vzorkování textur, aplikování early-z testů pro vyřazení neviditelných fragmentů před provedením shaderu.

Fragment Shader vs Vertex Shader: srovnání

Oba typy shaderů jsou programovány vývojářem, ale pracují v různých fázích pipeline a řeší různé úkoly. Fragment Shader je výrazně náročnější na zdroje kvůli počtu volání.

Příklady kódu Fragment Shader

Fragment Shader může být jednoduchý (vzorkování textury) nebo složitý (vícevrstvé osvětlení). Podívejme se na dva praktické příklady: základní texturování a efekt gradientu s použitím času.

Základní texturování v GLSL

#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);
}

Příklad v Metal Shading Language

#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;
}