Sombreador

Los sombreadores de vértices se ejecutan una vez por cada vértice 3D que se le pasa al procesador gráfico. El propósito es transformar la posición 3D de cada vértice en el espacio virtual a la coordenada 2D en la que aparece en la pantalla (así como un valor de profundidad para el búfer Z). ^{[ 7 ]} Los sombreadores de vértices pueden manipular propiedades como la posición, el color y las coordenadas de textura, pero no pueden crear nuevos vértices. La salida del sombreador de vértices va a la siguiente etapa de la canalización, que es un sombreador de geometría si está presente, o el rasterizador . Los sombreadores de vértices pueden permitir un control potente sobre los detalles de posición, movimiento, iluminación y color en cualquier escena que involucre modelos 3D .

Los sombreadores de geometría se introdujeron en Direct3D 10 y OpenGL 3.2; anteriormente estaban disponibles en OpenGL 2.0+ mediante el uso de extensiones. ^{[ 8 ]} Este tipo de sombreador puede generar nuevas primitivas gráficas , como puntos, líneas y triángulos, a partir de las primitivas que se enviaron al inicio de la canalización gráfica. ^{[ 9 ]}

Los programas de sombreado de geometría se ejecutan después de los sombreadores de vértices. Reciben como entrada una primitiva completa, posiblemente con información de adyacencia. Por ejemplo, al trabajar con triángulos, los tres vértices son la entrada del sombreador de geometría. El sombreador puede entonces generar cero o más primitivas, que se rasterizan y cuyos fragmentos se pasan finalmente a un sombreador de píxeles .

Entre los usos típicos de un sombreador de geometría se incluyen la generación de sprites de puntos, la teselación de geometría , la extrusión de volumen de sombras y la renderización en una sola pasada a un mapa cúbico . Un ejemplo típico del mundo real de las ventajas de los sombreadores de geometría sería la modificación automática de la complejidad de la malla. Una serie de franjas de líneas que representan puntos de control para una curva se pasan al sombreador de geometría y, según la complejidad requerida, el sombreador puede generar automáticamente líneas adicionales, cada una de las cuales proporciona una mejor aproximación de la curva.

El modelo del dragón de Stanford se renderizó utilizando sombreadores de fragmentos con diferentes resultados: blanco sólido, textura aplicada, sombreado basado en la física.

Los sombreadores de fragmentos, también conocidos como sombreadores de píxeles , calculan el color y otros atributos de cada "fragmento": una unidad de trabajo de renderizado que afecta como máximo a un único píxel de salida . Los tipos más simples de sombreadores de píxeles generan un píxel de la pantalla como valor de color; también son posibles sombreadores más complejos con múltiples entradas/salidas. ^{[ 10 ]} Los sombreadores de píxeles abarcan desde generar siempre el mismo color, hasta aplicar un valor de iluminación , realizar mapeo de relieve , sombras , reflejos especulares , translucidez y otros fenómenos. Pueden alterar la profundidad del fragmento (para el búfer Z ) o generar más de un color si hay varios objetivos de renderizado activos. En gráficos 3D, un sombreador de píxeles por sí solo no puede producir algunos tipos de efectos complejos porque opera solo en un único fragmento, sin conocimiento de la geometría de la escena (es decir, datos de vértices). Sin embargo, los sombreadores de píxeles sí conocen la coordenada de la pantalla que se está dibujando y pueden muestrear la pantalla y los píxeles cercanos si el contenido de toda la pantalla se pasa como textura al sombreador. Esta técnica permite una amplia variedad de efectos de posprocesamiento bidimensionales, como el desenfoque o la detección /mejora de bordes para sombreadores de estilo cómic/cel . Los sombreadores de píxeles también se pueden aplicar en etapas intermedias a cualquier imagen bidimensional ( sprites o texturas) en el flujo de trabajo , mientras que los sombreadores de vértices siempre requieren una escena 3D. Por ejemplo, un sombreador de píxeles es el único tipo de sombreador que puede actuar como posprocesador o filtro para una secuencia de vídeo después de haber sido rasterizada .

OpenGL 4.0 y Direct3D 11 introdujeron una nueva clase de sombreador llamada sombreador de teselación. Añadió dos nuevas etapas de sombreador al modelo tradicional: sombreadores de control de teselación (también conocidos como sombreadores de envoltura) y sombreadores de evaluación de teselación (también conocidos como sombreadores de dominio ), que en conjunto permiten subdividir mallas más simples en mallas más finas en tiempo de ejecución según una función matemática. Esta función puede relacionarse con diversas variables, principalmente la distancia a la cámara de visualización, para permitir el escalado activo del nivel de detalle . Esto permite que los objetos cercanos a la cámara tengan detalles finos, mientras que los más alejados pueden tener mallas más gruesas, pero con una calidad aparentemente comparable. También puede reducir drásticamente el ancho de banda de la malla requerido, ya que permite refinarla una vez dentro de las unidades de sombreado en lugar de submuestrear mallas muy complejas desde la memoria. Algunos algoritmos pueden sobremuestrear cualquier malla arbitraria, mientras que otros permiten "sugerencias" en las mallas para determinar los vértices y aristas más característicos.

Hacia 2017, la microarquitectura AMD Vega añadió soporte para una nueva etapa de sombreado —sombreadores primitivos— algo similar a los sombreadores de cómputo con acceso a los datos necesarios para procesar la geometría. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Nvidia introdujo sombreadores de malla y de tareas con su microarquitectura Turing en 2018, los cuales también están modelados a partir de sombreadores de cómputo. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Nvidia Turing es la primera microarquitectura de GPU del mundo que admite sombreado de malla a través de la API DirectX 12 Ultimate, varios meses antes del lanzamiento de la serie Ampere RTX 30. ^{[ 15 ]}

En 2020, AMD y Nvidia lanzaron las microarquitecturas RDNA 2 y Ampere , que admiten sombreado de malla a través de DirectX 12 Ultimate . ^{[ 16 ]} Estos sombreadores de malla permiten que la GPU maneje algoritmos más complejos, descargando más trabajo de la CPU a la GPU y, en renderizado intensivo de algoritmos, aumentando la velocidad de fotogramas o el número de triángulos en una escena en un orden de magnitud. ^{[ 17 ]} Intel anunció que las GPU Intel Arc Alchemist que se lanzarán en el primer trimestre de 2022 admitirán sombreadores de malla. ^{[ 18 ]}

Microsoft admite sombreadores de trazado de rayos mediante DirectX Raytracing , Khronos Group mediante Vulkan , GLSL y SPIR-V , ^{[ 19 ]} y Apple mediante Metal . Nvidia y AMD denominaron a las partes del hardware responsables de ejecutar estos sombreadores "núcleos de trazado de rayos". ^{[ 20 ]}

Los sombreadores de cómputo se refieren a núcleos de cómputo escritos en un lenguaje de sombreado . Estos sombreadores comparten unidades de ejecución con los sombreadores de vértices y los sombreadores de píxeles en las GPU, un ejemplo de operación GPGPU . Pueden utilizarse en pipelines gráficos para fines tales como etapas adicionales en algoritmos de animación o iluminación (por ejemplo, renderizado directo en mosaico ) o para fines no gráficos. Algunas API de renderizado permiten que los sombreadores de cómputo compartan fácilmente recursos de datos con el pipeline gráfico, lo que facilita la integración de gráficos y cómputo.

Los sombreadores tensoriales son programas aceleradores que manejan operaciones matriciales en grandes matrices , un tipo de operación comúnmente utilizada en la IA basada en redes neuronales . Pueden ejecutarse en NPU o GPU . Los sombreadores tensoriales son compatibles con Microsoft a través de DirectML , Khronos Group a través de OpenVX , Apple a través de Core ML , Google a través de TensorFlow y Linux Foundation a través de ONNX . ^{[ 25 ]} Nvidia y AMD denominaron a las partes del hardware responsables de ejecutar estos sombreadores "núcleos tensoriales". ^{[ 26 ]}

Las plataformas modernas de desarrollo de videojuegos, como Unity , Unreal Engine y Godot, incluyen cada vez más editores basados ​​en nodos que permiten crear sombreadores sin necesidad de escribir código. En su lugar, el usuario dispone de un grafo dirigido de nodos conectados que le permite dirigir diversas texturas, mapas y funciones matemáticas hacia valores de salida como el color difuso, el color y la intensidad especular, la rugosidad/metalicidad, la altura, la normal, etc. Posteriormente, el grafo se compila en un sombreador.

En el ámbito del desarrollo web, también han surgido herramientas de sombreado visuales y basadas en componentes. Plataformas como shaders.com ofrecen composición de sombreadores basada en componentes para su integración en frameworks frontend como Vue , React y Svelte , mientras que herramientas como Shadertoy y FragCoord.xyz se centran en la creación y depuración de sombreadores de bajo nivel.