Pixel-Shader

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Pixel-Shader (auch Pixelshader, Fragment-Shader, Abk. PS) sind Programme, die vom Grafikprozessor einer 3D-Grafikkarte im Verlauf der Grafikpipeline (in den sogenannten Shadereinheiten) ausgeführt werden. Häufig werden auch die Shadereinheiten selbst als Pixel-Shader bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis 1 Funktion 2 Programmierung 3 Kompatibilität 3.1 Hardware 3.2 Software 4 Siehe auch 5 Weblinks

[Bearbeiten] Funktion

Pixel-Shader dienen dazu, die zu rendernden Fragmente zu verändern, um beispielsweise eine realistischere Darstellung von Oberflächen- und Materialeigenschaften zu erreichen oder die Texturdarstellung zu verändern. Die Pixel des endgültigen Bildes ergeben sich unter Umständen aus mehreren Fragmenten, zum Beispiel wenn aufgrund von Transparenz mehrere Objekte gleichzeitig gesehen werden können. Die Shader verarbeiten diese Objekte unabhängig voneinander, daher ist der Begriff Fragment-Shader eigentlich die korrekte Bezeichnung. Allerdings hat sich der Begriff Pixel-Shader eingebürgert.

Pixel-Shader unterscheiden sich von den Vertex-Shadern, welche die Vertices (Eckpunkte von dreidimensionalen Objekten) verändern, um die 3D-Objekte in ihrer Form oder Position zu manipulieren. Beispiele für die Anwendung von Pixel-Shadern sind Phong Shading, Spiegelungen, Schattierung, Falloff, Lensglow und Lens Flares; auch HDR-Rendering wird mit ihrer Hilfe programmiert (unter Nutzung von Framebuffern, die mehr als 8 Bit pro Subpixel unterstützen).

Da die Shadereinheiten, die die Pixel-Shader ausführen, Teil der GPU sind, müssen diese Programme nicht mehr auf der CPU des Systems laufen, dadurch wird diese entlastet und kann für andere Aufgaben eingesetzt werden. In der Regel werden mehrere Shadereinheiten in GPUs verbaut, damit diese nicht zum Flaschenhals der Grafikpipeline werden.

Zusätzliche Informationen zur Verarbeitungskette gibt es im Artikel zu den Shadern.

[Bearbeiten] Programmierung

Pixel-Shader werden in speziell dafür vorgesehenen Sprachen geschrieben (Assembler, Cg, GLSL, HLSL) und zur Laufzeit der 3D-Anwendung vom Grafikkartentreiber in einen für die Grafikkarte verständlichen Maschinencode übersetzt, der dann in den Shadereinheiten ausgeführt wird. Damit diese Funktionalität auch einheitlich von Anwendungen genutzt werden kann, bieten sowohl DirectX als auch OpenGL Schnittstellen für die Anwendung von Pixel-Shadern.

Im Laufe der Zeit haben Funktionsumfang und Leistungsfähigkeit der anfangs noch ziemlich einfachen Shadereinheiten stark zugenommen; heute ist ihre Programmierbarkeit so weit fortgeschritten, dass man mit ihnen viele Berechnungen erledigen kann, die bisher nur CPUs ausführen konnten, oftmals sogar wesentlich schneller. Hierbei entstanden gerade bei DirectX diverse Versionen der Pixel-Shader, die von verschiedenen Grafikchips unterschiedlich gut unterstützt werden. Seit OpenGL 2.0 sind die Pixel-Shader auch in OpenGL voll integriert (siehe hierzu auch OpenGL Shading Language (GLSL)).

[Bearbeiten] Kompatibilität

[Bearbeiten] Hardware

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht, welche Grafikkarten bzw. Grafikchips mit welcher DirectX-Version welche Pixel-Shader-Version unterstützen. Hierbei ist zu beachten, dass Grafikchips in der Regel ältere Versionen ebenfalls unterstützen, so können beispielsweise Pixel-Shader-3.0-Chips auch mit Pixel-Shadern der Version 2.0 arbeiten (was allerdings weniger das Verdienst des Grafikchips als des Grafikkartentreibers ist).

PS-Version	nötige DirectX Version	3DLabs	ATI	Intel	Matrox	NVIDIA	S3 Graphics	SiS	XGI
1.0/1.1	8.0	-	-	-	-	GeForce-3-Serie	-	Xabre-Serie	-
1.2	8.0a	Wildcat VP	-	-	-	-	-	-	-
1.3	8.0a	-	-	-	Parhelia-Serie	GeForce4-Ti/Go-Serie	-	Mirage 2	-
1.4	8.1	-	Radeon 8500 - 9250	-	-	-	-	-	Volari-V3-Serie (außer V3XT)
2.0	9.0	Wildcat Realizm	Radeon 9500 - 9800, X300 - X600	Intel GMA 900	-	-	DeltaChrome, GammaChrome, Chrome-S2x-Serie	Mirage 3, Mirage 3+	Volari V3XT, Volari-V5-Serie, Volari-V8-Serie, Volari 8300, Volari XP10
2.0a	9.0b	-	-	-	-	GeForce-FX-Serie	-	-	-
2.0b	9.0b	-	Radeon X700 - X850	-	-	-	-	-	-
3.0	9.0c	-	Radeon-X1-Serie	Intel GMA 950, 3000, X3000	-	GeForce-6-Serie, GeForce-7-Serie	-	-	-
4.0	10	-	Radeon-HD-2000-Serie	Intel GMA X3100, X3500	-	Geforce-8-Serie, Geforce-9-Serie	-	Mirage 4	-
4.1	10.1	-	Radeon-HD-3000-Serie, Radeon-HD-4000-Serie	-	-	-	-	-	-

(kursiv gestellte Namen zeigen an, dass dieses Produkt noch nicht auf dem Markt ist)

[Bearbeiten] Software

Weil je nach Shaderversion der Funktionsumfang und die Programmierbarkeit stark unterschiedlich ausfallen kann, steht ein Entwickler prinzipiell vor der Wahl,

• viele Pixel-Shader-Versionen zu unterstützen, indem er den gemeinsamen Nenner wählt, nämlich Version 1.0. Hierbei werden alle Grafikkarten unterstützt, die dieses Mindestmaß an Pixel-Shader-Fähigkeit besitzen. Diese Möglichkeit wird selten gewählt, weil viele Effekte sich erst ab bestimmten Shaderversionen effizient nutzen lassen.
• viele Pixel-Shader-Versionen zu unterstützen, indem er für jede zu unterstützende Version eigene, optimierte Shader schreibt (sogenannte Renderpfade). Hierbei werden alle Grafikkarten unterstützt, die mit den angepeilten Shaderversionen kompatibel sind. Prominentes Beispiel hierfür ist Far Cry (erschien 2004, Support seit 2005).
• nur Pixel-Shader-Versionen ab einer bestimmten zu unterstützen. Beispiele hierfür sind Europa Universalis III von Paradox Interactive oder Virtua Tennis 3 von Sega (setzt Pixel-Shader 2.0 voraus) und Splinter Cell: Double Agent von Ubisoft (setzt Pixel-Shader 3.0 voraus).

[Bearbeiten] Siehe auch

• Shader
• Vertex-Shader
• Direct3D
• OpenGL

[Bearbeiten] Weblinks

• OpenGL Shading Language – Dokumentation zur Programmierung von Shadern in OpenGL
• Einführung in OGSL
• OGSL Tutorial (engl.)
• Quellcode-Beispiele
• Vertex- und Pixel-Shader – Ein Tutorium, das zeigt wie man Shader unter DirectX implementiert
• ZFX Graphics Series – Ein weiteres Tutorium, in dem man Shader in eine DX Anwendung einbaut
• Shader-Konzept – Ein Artikel, der verschiedene Shader-Techniken vorstellt