Fragment Shader — шта је то, задаци и принцип рада

Шта је Fragment Shader?

Fragment Shader (фрагментни или пикселски шейдер) — је програмабилна фаза графичког конвејера која израчунава коначну боју сваког фрагмента слике. Фрагмент је потенцијални пиксел који, након проласка тестова дубине и шаблона, постаје видљиви пиксел на екрану.

Fragment Shader се извршава након растерзације, када су тродимензионални примитиви (троуглови) већ претворени у скуп фрагмената. На улазу шейдер добија интерполиране атрибуте — текстурне координате, нормале, боје, које су израчунате у Vertex Shader-у за темена троугла и линеарно интерполиране за сваки пиксел унутар њега.

Историја еволуције Fragment Shader-а

Пре појаве програмабилних шейдера (пре DirectX 8 / OpenGL 2.0) израчунавање боје пиксела обављао је фиксни конвејер са ограниченим скупом операција. Програмабилни Fragment Shader се појавио 2001. године и радикално је проширио могућности графике: програмери су добили потпуну контролу над бојом сваког пиксела, што је омогућило реализацију фотореалистичног осветљења, сложених материјала и пост-ефеката.

Како ради Fragment Shader?

Fragment Shader покреће GPU за сваки фрагмент генерисан растерзатором. Сваки позив шейдера обрађује један фрагмент, чита његове улазне податке, извршава кориснички код и уписује излазну вредност — боју фрагмента у RGBA формату.

Улазни и излазни подаци

Улазни подаци Fragment Shader-а укључују интерполиране атрибуте од Vertex Shader-а (текстурне координате, нормале, боје), uniform променљиве (извори светлости, матрице) и текстурне семплере. Излазни подаци — вектор боје (gl_FragColor у OpenGL ES 2.0 или корисничка променљива у ES 3.0) који се уписује у бафер боје.

#version 300 es
precision mediump float;

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

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

Основни задаци Fragment Shader-а

Fragment Shader је одговоран за визуелни квалитет слике. Сви ефекти које корисник види на екрану — боја, сенке, рефлексије, провидност — израчунавају се управо у овој фази графичког конвејера.

Текстурисање

Најчешћа операција — узимање боје из текстуре по интерполираним UV координатама. Sampler2D и функција texture() омогућавају добијање боје пиксела из текстурног атласа. Филтрација (билинеарна, трилинеарна, анизотропна) контролише се кроз параметре семплера и утиче на оштрину слике при различитим угловима гледања.

Осветљење по Фонгу

Модел осветљења Фонга (Phong shading) израчунава се у Fragment Shader-у за сваки пиксел, што даје глаткије одсјаје од вертексног осветљења (Gouraud shading). Phong lighting укључује три компоненте: ambient (позадинско), diffuse (дифузно) и specular (спекуларно).

// Fragment shader sa Phong osvetljenjem
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);
}

Пост-ефекти и blending

Fragment Shader омогућава наношење пост-обраде: корекцију боја кроз LUT табеле, замућење (blur), ефекат сјаја (bloom) и tonemapping за HDR рендеровање. Сви ови ефекти раде на нивоу пиксела и извршавају се у реалном времену.

Перформансе Fragment Shader-а и оптимизација

Перформансе Fragment Shader-а — главни фактор који ограничава FPS у модерним мобилним игрицама. Пошто се шейдер позива за сваки пиксел, чак и мало повећање сложености кода може довести до приметног пада броја кадрова.

Главни проблеми перформанси

• Overdraw — поновно цртање истог пиксела због преклапања објеката. Посебно критичан за полупровидне објекте.
• Условни прелази — гранање у Fragment Shader-у смањује ефикасност SIMD извршења, јер GPU мора да изврши обе гране.
• Узимање из текстура — свако узимање текстуре (texture lookup) има кашњење од десетина циклуса GPU-а. Минимизација броја семплера убрзава шейдер.

Методе оптимизације Fragment Shader-а

За мобилне GPU (Qualcomm Adreno, ARM Mali) препоручује се: коришћење mediump precision за float променљиве, комбиновање узимања текстура, примена early-z тестова за одбацивање невидљивих фрагмената пре извршења шейдера.

Fragment Shader vs Vertex Shader: поређење

Оба типа шейдера програмира програмер, али раде у различитим фазама конвејера и решавају различите задатке. Fragment Shader је значајно захтевнији због броја позива.

Примери кода Fragment Shader-а

Fragment Shader може бити једноставан (узимање из текстуре) или сложен (вишеслојно осветљење). Размотримо два практична примера: основно текстурисање и ефекат градијента коришћењем времена.

Основно текстурисање у GLSL-у

#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);
}

Пример у Metal Shading Language-у

#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;
}