Fragment Shader — یہ کیا ہے، کام اور کام کرنے کا اصول

Fragment Shader کیا ہے؟

Fragment Shader (فریگمنٹ یا پکسل شیڈر) گرافکس پائپ لائن کا ایک پروگرام ایبل مرحلہ ہے جو تصویر کے ہر فریگمنٹ کا حتمی رنگ حساب کرتا ہے۔ فریگمنٹ ایک ممکنہ پکسل ہے جو گہرائی اور سٹینسل ٹیسٹ پاس کرنے کے بعد اسکرین پر نظر آنے والا پکسل بن جاتا ہے۔

Fragment Shader راسٹرائزیشن کے بعد عمل میں آتا ہے، جب 3D پریمیٹیو (مثلث) پہلے ہی فریگمنٹس کے سیٹ میں تبدیل ہو چکے ہوتے ہیں۔ شیڈر انٹرپولیٹڈ صفات — ٹیکسچر کوآرڈینیٹ، نارملز، رنگ جو Vertex Shader میں مثلث کے عمودوں کے لیے حساب کیے گئے تھے اور مثلث کے اندر ہر پکسل کے لیے لکیری طور پر انٹرپولیٹ کیے گئے — وصول کرتا ہے۔

Fragment Shader کے ارتقاء کی تاریخ

پروگرام ایبل شیڈرز کے ظہور سے پہلے (DirectX 8 / OpenGL 2.0 سے پہلے)، پکسل رنگ کا حساب ایک محدود کارروائیوں کے سیٹ والی فکسڈ پائپ لائن کے ذریعے کیا جاتا تھا۔ پروگرام ایبل Fragment Shader 2001 میں ظاہر ہوا اور گرافکس کی صلاحیتوں کو یکسر وسعت دی: ڈویلپرز نے ہر پکسل کے رنگ پر مکمل کنٹرول حاصل کر لیا، جس سے فوٹو ریئلسٹک روشنی، پیچیدہ مواد اور بعد از اثرات کو نافذ کرنا ممکن ہوا۔

Fragment Shader کیسے کام کرتا ہے؟

Fragment Shader GPU کے ذریعے راسٹرائزر کے پیدا کردہ ہر فریگمنٹ کے لیے شروع کیا جاتا ہے۔ ہر شیڈر کال ایک فریگمنٹ پر کارروائی کرتی ہے، اس کا انپٹ ڈیٹا پڑھتی ہے، صارف کا کوڈ چلاتی ہے اور آؤٹ پٹ ویلیو — RGBA فارمیٹ میں فریگمنٹ کا رنگ — لکھتی ہے۔

انپٹ اور آؤٹ پٹ ڈیٹا

Fragment Shader کے انپٹ ڈیٹا میں Vertex Shader سے انٹرپولیٹڈ صفات (ٹیکسچر کوآرڈینیٹ، نارملز، رنگ)، یونیفارم متغیرات (روشنی کے ذرائع، میٹرکس) اور ٹیکسچر سیمپلر شامل ہیں۔ آؤٹ پٹ ڈیٹا رنگ ویکٹر (OpenGL ES 2.0 میں gl_FragColor یا ES 3.0 میں صارف کے متعین کردہ متغیر) ہے، جو کلر بفر میں لکھا جاتا ہے۔

#version 300 es
precision mediump float;

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

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

Fragment Shader کے اہم کام

Fragment Shader تصویر کے بصری معیار کا ذمہ دار ہے۔ تمام اثرات جو صارف اسکرین پر دیکھتا ہے — رنگ، سائے، عکاسی، شفافیت — گرافکس پائپ لائن کے اس مرحلے پر حساب کیے جاتے ہیں۔

ٹیکسچرنگ

سب سے عام کارروائی انٹرپولیٹڈ UV کوآرڈینیٹس کا استعمال کرتے ہوئے ٹیکسچر سے رنگ کا نمونہ لینا ہے۔ Sampler2D اور texture() فنکشن ٹیکسچر اٹلس سے پکسل رنگ حاصل کرنے کی اجازت دیتے ہیں۔ فلٹرنگ (bilinear، trilinear، anisotropic) سیمپلر پیرامیٹرز کے ذریعے کنٹرول کی جاتی ہے اور مختلف دیکھنے کے زاویوں پر تصویر کی وضاحت کو متاثر کرتی ہے۔

Phong روشنی

Phong شیڈنگ ماڈل Fragment Shader میں فی پکسل حساب کیا جاتا ہے، جو عمودی روشنی (Gouraud شیڈنگ) سے زیادہ ہموار ہائی لائٹس دیتا ہے۔ Phong روشنی میں تین اجزاء شامل ہیں: محیطی (ambient)، پھیلا ہوا (diffuse) اور مرآتی (specular) عکاسی۔

// Fragment shader with Phong lighting
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);
}

بعد از اثرات اور ملاوٹ

Fragment Shader بعد از پروسیسنگ لاگو کرنے کی اجازت دیتا ہے: لوک اپ ٹیبلز (LUT) کے ذریعے رنگ کی اصلاح، دھندلاپن (blur)، چمک کا اثر (bloom) اور HDR رینڈرنگ کے لیے ٹون میپنگ۔ یہ تمام اثرات پکسل سطح پر کام کرتے ہیں اور ریئل ٹائم میں عمل میں آتے ہیں۔

Fragment Shader کی کارکردگی اور اصلاح

Fragment Shader کی کارکردگی جدید موبائل گیمز میں FPS کو محدود کرنے والا اہم عنصر ہے۔ چونکہ شیڈر ہر پکسل کے لیے بلایا جاتا ہے، کوڈ کی پیچیدگی میں معمولی اضافہ بھی فریم ریٹ میں نمایاں کمی کا سبب بن سکتا ہے۔

اہم کارکردگی کے مسائل

• Overdraw — اشیاء کے اوورلیپ کی وجہ سے اسی پکسل کو دوبارہ کھینچنا۔ نیم شفاف اشیاء کے لیے خاص طور پر اہم۔
• مشروط شاخیں — Fragment Shader میں شاخیں SIMD عملدرآمد کی کارکردگی کو کم کرتی ہیں، کیونکہ GPU کو دونوں شاخیں چلانی پڑتی ہیں۔
• ٹیکسچر کے نمونے — ہر ٹیکسچر نمونے میں دسیوں GPU کلاک سائیکل کی تاخیر ہوتی ہے۔ سیمپلرز کی تعداد کم سے کم کرنے سے شیڈر تیز ہوتا ہے۔

Fragment Shader کی اصلاح کے طریقے

موبائل GPU (Qualcomm Adreno، ARM Mali) کے لیے سفارش کی جاتی ہے: float متغیرات کے لیے mediump precision استعمال کریں، ٹیکسچر کے نمونوں کو یکجا کریں، شیڈر کے عملدرآمد سے پہلے نظر نہ آنے والے فریگمنٹس کو مسترد کرنے کے لیے early-z ٹیسٹ لگائیں۔

Fragment Shader بمقابلہ Vertex Shader: موازنہ

دونوں اقسام کے شیڈر ڈویلپر کے ذریعے پروگرام کیے جا سکتے ہیں، لیکن وہ پائپ لائن کے مختلف مراحل پر کام کرتے ہیں اور مختلف کام حل کرتے ہیں۔ Fragment Shader کالوں کی تعداد کی وجہ سے نمایاں طور پر زیادہ وسائل گراں ہے۔

Fragment Shader کوڈ کی مثالیں

Fragment Shader سادہ (ٹیکسچر نمونہ) یا پیچیدہ (کثیر پرت روشنی) ہو سکتا ہے۔ آئیے دو عملی مثالوں پر غور کریں: بنیادی ٹیکسچرنگ اور وقت کا استعمال کرتے ہوئے گریڈینٹ اثر۔

GLSL میں بنیادی ٹیکسچرنگ

#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 میں مثال

#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;
}