Ombreur: Explorer les royaumes visuels avec Shader : un voyage dans la vision par ordinateur

Par Fouad Sabry

Qu'est-ce que le shader

En infographie, un shader est un programme informatique qui calcule les niveaux appropriés de lumière, d'obscurité et de couleur lors du rendu d'une scène 3D, un processus connu sous le nom d'ombrage. Les shaders ont évolué pour exécuter une variété de fonctions spécialisées dans les effets spéciaux d'infographie et le post-traitement vidéo, ainsi que dans le calcul général sur les unités de traitement graphique.

Comment vous en bénéficierez

(I) Informations et validations sur les sujets suivants :

Chapitre 1 : Shader

Chapitre 2 : OpenGL

Chapitre 3 : Direct3D

Chapitre 4 : Langage de shader de haut niveau

Chapitre 5 : OpenGL ES

Chapitre 6 : Pipeline graphique

Chapitre 7 : Langage d'ombrage

Chapitre 8 : Rendu logiciel

Chapitre 9 : Langage d'ombrage OpenGL

Chapitre 10 : Éclairage infographique

(II) Répondre aux principales questions du public sur le shader.

(III) Exemples concrets d'utilisation du shader dans de nombreux domaines.

À qui s'adresse ce livre

Professionnels, étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, passionnés, amateurs et ceux qui souhaitent aller au-delà des connaissances ou des informations de base pour tout type de Shader.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 14 mai 2024

Aperçu du livre

Nuanceur

Explorer les domaines visuels avec Shader : un voyage dans la vision par ordinateur

Fouad Sabry est l'ancien responsable régional du développement commercial pour les applications chez Hewlett Packard pour l'Europe du Sud, le Moyen-Orient et l'Afrique. Fouad est titulaire d'un baccalauréat ès sciences des systèmes informatiques et du contrôle automatique, d'une double maîtrise, d'une maîtrise en administration des affaires et d'une maîtrise en gestion des technologies de l'information de l'Université de Melbourne en Australie. Fouad a plus de 25 ans d'expérience dans les technologies de l'information et de la communication, travaillant dans des entreprises locales, régionales et internationales, telles que Vodafone et des machines commerciales internationales. Actuellement, Fouad est un entrepreneur, auteur, futuriste, axé sur les technologies émergentes et les solutions industrielles, et fondateur de l'initiative One billion knowledge.

Un milliard de connaissances

Nuanceur

Explorer les domaines visuels avec Shader : un voyage dans la vision par ordinateur

Fouad Sabry

Copyright

Shader © 2024 par Fouad Sabry. Tous droits réservés.

Aucune partie de ce livre ne peut être reproduite sous quelque forme que ce soit ou par quelque moyen électronique ou mécanique que ce soit, y compris les systèmes de stockage et de récupération d'informations, sans l'autorisation écrite de l'auteur. La seule exception est celle d'un critique, qui peut citer de courts extraits dans une critique.

Couverture conçue par Fouad Sabry.

Bien que toutes les précautions aient été prises dans la préparation de ce livre, les auteurs et les éditeurs n'assument aucune responsabilité pour les erreurs ou omissions, ou pour les dommages résultant de l'utilisation des informations contenues dans ce livre.

Table des matières

Chapitre 1 : Shader

Chapitre 2 : OpenGL

Chapitre 3 : Direct3D

Chapitre 4 : Langage de shader de haut niveau

Chapitre 5 : OpenGL ES

Chapitre 6 : Pipeline graphique

Chapitre 7 : Langage d'ombrage

Chapitre 8 : Rendu logiciel

Chapitre 9 : Langage d'ombrage OpenGL

Chapitre 10 : Éclairage d'infographie

Appendice

À propos de l'auteur

Chapitre 1 : Shader

Les shaders sont des programmes informatiques utilisés en infographie qui déterminent comment la lumière, l'obscurité et la couleur doivent être rendues dans un environnement 3D. Les shaders ont évolué pour servir un large éventail d'objectifs, de l'informatique à usage général sur les unités de traitement graphique aux tâches spécialisées en infographie et en post-traitement vidéo.

Les shaders conventionnels sont responsables du calcul flexible des effets de rendu sur le matériel graphique. Bien que cela ne soit pas strictement nécessaire, la plupart des shaders sont écrits pour fonctionner sur une unité de traitement graphique (GPU). Le pipeline traditionnel à fonction fixe pour le rendu GPU, qui ne permettait que les transformations géométriques standard et l'ombrage des pixels, a été largement remplacé par le modèle de programmation de shader plus flexible et plus puissant. Un shader est un programme informatique qui modifie une image produite en changeant sa position et sa couleur (teinte, saturation, luminosité et contraste) à l'aide de techniques définies dans le shader et en introduisant des variables ou des textures externes.

En post-production, en images de synthèse et dans les jeux vidéo, les shaders sont utilisés pour créer une grande variété d'effets visuels. Les shaders sont utilisés pour une grande variété d'effets au-delà des simples modèles d'éclairage, y compris, mais sans s'y limiter : la modification de la teinte, de la saturation, de la luminosité (HSL/HSV) ou du contraste d'une image ; création de flou, d'efflorescence lumineuse, d'éclairage volumétrique, de cartographie normale (pour les effets de profondeur), de bokeh, d'ombrage celluloïd, de postérisation, de bump mapping, de distorsion, d'incrustation chromatique (pour les effets dits « écran bleu/vert »), de détection des bords et de flou de mouvement ; et des effets psychédéliques comme ceux observés.

Pixar a popularisé ce sens du mot « shader » avec la version 3.0 de la spécification d'interface RenderMan, publiée pour la première fois en mai 1988. Avec la sortie de Direct3D 10 et OpenGL 3.2, les shaders géométriques étaient disponibles. Après un certain temps, le matériel graphique a convergé vers un modèle de shader standard.

Les caractéristiques d'un sommet ou d'un pixel peuvent être décrites à l'aide de shaders, qui sont de petits programmes. Les caractéristiques d'un vertex sont décrites par des vertex shaders (telles que sa position, ses coordonnées de texture, ses couleurs, etc.), tandis que les caractéristiques d'un pixel sont décrites par des pixel shaders (telles que sa couleur, sa profondeur z et sa valeur alpha). Chaque sommet d'une primitive (potentiellement après tessellation) déclenche un appel de vertex shader, de sorte que la seule chose qu'un vertex shader voit est lui-même. Ensuite, les pixels qui composent chaque sommet sont dessinés dans une surface (un morceau de mémoire) et transmis à l'écran.

Les shaders remplacent le pipeline de fonctions fixes (FFP) du matériel graphique, ainsi nommé en raison de la nature prédéterminée avec laquelle il gère des tâches telles que l'éclairage et le mappage de texture. Les shaders offrent une alternative programmatique plus flexible à ce type de codage inflexible.

Voici le pipeline graphique fondamental :

Les données géométriques et les instructions (programmes de langage d'ombrage compilés) sont envoyées du CPU au GPU de la carte graphique.

Le vertex shader est l'endroit où les transformations géométriques ont lieu.

Lorsqu'un nuanceur de géométrie est chargé dans le GPU et est actif, certaines modifications de la géométrie de la scène sont apportées.

Les géométries de scène peuvent être partitionnées si un shader de tessellation est présent dans le GPU et activé.

La triangulation est utilisée dans le calcul de la géométrie (subdivisée en triangles).

Les triangles sont décomposés en quadruples fragments (un quadruple fragment est une primitive de 2 × 2 fragments).

Le nuanceur de fragment affecte les quadrilatères de fragment de plusieurs manières.

Les fragments qui réussissent le test de profondeur sont attirés à l'écran et, potentiellement, fusionnés avec d'autres images dans la mémoire tampon.

Ces procédures sont utilisées par le pipeline graphique pour aplatir des données tridimensionnelles (ou bidimensionnelles) en informations bidimensionnelles affichables. En termes simples, il s'agit d'une matrice de pixels massive, parfois appelée « frame buffer ».

Les shaders de pixels, les shaders de vertex et les shaders de géométrie sont les plus répandus, mais il y en a plus. Contrairement aux cartes graphiques précédentes, qui avaient des unités de traitement dédiées pour chaque type de shader, les cartes contemporaines ont des shaders unifiés qui peuvent exécuter n'importe quel shader. De ce fait, les cartes graphiques peuvent mieux utiliser leurs ressources.

Dans le domaine de l'infographie, les images numériques (aussi appelées textures) sont la cible de la manipulation des shaders 2D. Les caractéristiques des pixels sont modifiées par eux. Il est possible que les shaders 2D aident à rendre la géométrie 3D. Les shaders de pixels sont le seul type de shader 2D existant.

Les nuanceurs de fragments, ou nuanceurs de pixels, sont responsables du calcul de la couleur et d'autres attributs de chaque « fragment » de travail de rendu, qui n'affecte qu'un seul pixel de sortie. Les shaders de pixels les plus simples ont une seule entrée et sortent la valeur de couleur d'un seul pixel à l'écran, tandis que les shaders plus compliqués peuvent traiter de nombreuses entrées et sorties. Il existe une grande variété de shaders de pixels, dont certains produisent simplement une couleur constante, d'autres qui appliquent une valeur d'éclairage et d'autres encore qui font du bump mapping, des ombres, des reflets spéculaires, de la translucidité et d'autres effets. Dans le cas de la mise en mémoire tampon Z, ils peuvent modifier la profondeur du fragment et, lors du rendu vers plusieurs destinations, ils peuvent générer plusieurs couleurs. Certains effets compliqués dans les graphiques 3D ne peuvent pas être obtenus avec un simple pixel shader car il fonctionne sur un seul fragment et n'a pas de contexte pour la géométrie de la scène (c'est-à-dire les données de sommet). Les nuanceurs de pixels, en revanche, sont conscients des coordonnées de l'écran en cours de rendu et peuvent prélever un échantillon de l'écran