導入
シェーダ(英語、動詞からShade : シェーダ) は、コンピュータに与えられる一連の命令であり、コンピュータ グラフィックスで使用され、グラフィックス カードまたはソフトウェアレンダリング エンジンによって実行されるレンダリング プロセスの一部を構成します。これらは、光の吸収と散乱、使用するテクスチャ、反射と屈折、シェーディング、移動プリミティブ、後処理効果を記述するのに役立ちます。レンダリングプロセスの設計そのものにより、シェーダはビデオカードに配置された複数のグラフィック プロセッサによる並列実行の理想的な候補となり、ベクトル化された処理により CPU の負荷を軽減し、より迅速に結果を取得できるようになります。
シェーダは柔軟で効率的です。一見複雑な表面も、単純なジオメトリからレンダリングできます。たとえば、シェーダを使用して、プランの簡単な記述からセラミックタイルを生成できます。
さまざまな言語
当初、 Pixarがコンピュータ生成画像、特にトイ・ストーリーの制作用に RenderMan ソフトウェアに導入したシェーダは、コンピュータのコストが低下するにつれて関心が高まってきました。 2001 年から、 DirectX 8.0 やOpenGL 1.4 などのリアルタイム3Dプログラミングインターフェイスに導入され、 nVidiaやATIなどの主要なグラフィックス カード メーカーによってサポートされるようになりました。シェーダーを使用する主な利点はその柔軟性にあり、開発時間をより速く、より安価にできるだけでなく、作業をより豊かにすることもできます。通常、シェーダ言語にはカラーやベクトルなどの独自のデータ型がありますが、さまざまな業界関係者や分野の強力な進化により、さまざまなシェーダ言語が開発されています。
現実的な計算のために
この種のシェーダ言語は、最高の画質を実現するように設計されています。ハードウェアのプロパティは完全に無視され、プログラミング スキルやハードウェアの知識はほとんど必要ありません。このようなシェーダは、多くの場合、適切なレンダリングを実現するためにアーティストによって作成されます。
この種のシェーダの作成には通常、長いプロセスがかかります。この種のシェーディングを実現するために必要なコンピュータの能力は、写真のようにリアルな結果を生み出す能力があるため、高価になる可能性があります。ほとんどの場合、レンダリングは計算グリッドによって生成されます。
RenderMan シェーダ言語
Gelato シェーダー言語
リアルタイム計算用
最近まで、プログラマーはグラフィックス カードによって実行される処理をこのレベルで制御できませんでしたが、現在ではリアルタイム レンダリング用のシェーダー言語が普及しています。これらは、低レベルのプログラミングが後に続く「すべてがハードワイヤード」という以前のパラダイムと比較して、ハードウェアの抽象化とより柔軟なプログラミング モデルを提供するようになりました。このスタッキングにより、プログラマはレンダリング プロセスをより詳細に制御できるようになり、一般に低コストでより豊富なコンテンツを配信できるようになります。
驚くべきことに、これらのシェーダはグラフィックス カードのグラフィックス処理プロセッサ(GPU) 上で実行されるように設計されており、処理キューに配置されるため、最適なパフォーマンスが可能になります。カードのアーキテクチャは、フロー処理モデルに基づいているため、進化する必要はなく、シェーダーの計算がカードの全体構造の中でその場所を見つけました。
この種の言語は通常、使用されるグラフィカルプログラミング インターフェイスに依存しますが、一部のアプリケーションでは機能が制限されたこのような言語も提供されます。
歴史的に、確立できた言語はほんの一握りであり、現在市場は閉鎖されており、メーカーは既存の言語と連携することを望んでいます。これらの言語の簡単な説明を以下に示します。
OpenGLシェーディング言語
GLSL または glslang とも呼ばれる、OpenGL Architecture Review Board によって標準化されたシェーダ言語です。
この言語は最初から豊富な要素を提供し、ジオメトリ (頂点処理) とピクセル (フラグメント処理) の処理プロセスを同じ命令セットで統合し、命令ループと (より一般的には) 条件付き接続を可能にします。
歴史的に、GLSL 言語は、ARB_vertex_program、ARB_fragment_program など、OpenGL にあったさまざまな同等の拡張機能を継承してきました。ただし、これらの拡張機能は特定の制限付きで低レベルのアセンブリ言語を使用しているため、現在ではその使用は推奨されていません。これら 2 つの拡張機能の前には、最新の仕様には残されていない他の提案もありました。
DirectX 高レベルシェーダ言語
おそらく最も人気のある言語です。これは主にMicrosoftのサポートによるもので、リアルタイム レンダリングの生成に使用できる、アセンブリに似た言語ではなく C に似た言語を初めて提供したという事実もあります。一般に HLSL と呼ばれる高レベル シェーダ言語 は、アセンブリ タイプのシェーダ言語を抽象化したものです。これらの低レベル言語は、DirectX 8.0 のバージョン 1.x から導入され、次に DirectX 9 のバージョン 2.x および 3.x で導入され、メーカーによってすぐにサポートされました。 HLSL は主なライバルである GLSL の登場を予期していましたが、HLSL が持っていない機能を利用するために 2 回拡張する必要がありました。
CG シェーダ言語
nVidia によって開発されたこの言語は、統合生産を促進および最適化するために設計されました。この言語は独立したプログラミングインターフェイスを提供し、運用環境での使用をサポートする幅広い無料ツールが付属しています。
Cg の初期の実装はかなり制限的でした。これにより、大部分のハードウェアがサポートできるようになりましたが、それでも以前の方法と比較すると革新的でした。 CG は、主にデジタルコンテンツ作成業界でのリーダーシップにより、次世代シェーダー言語の導入をうまく乗り切ったように見えますが、この言語が最終製品で使用されることはほとんどないようです。ただし、Sony のゲーム機 PlayStation 3 で開発されたビデオ ゲームは、この言語を使用してシェーダを実装していることに注意してください。
Cg が提供する興味深い機能は、プロセスのさまざまな段階をリンクするための特別なデータ型であるコネクタの使用です。コネクタは、幾何学的処理ステップ (頂点処理) へのアプリケーションの入力と補間される属性を定義するために使用され、その結果はピクセル処理 (フラグメント処理) に使用されます。