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Shaders Bruno José Dembogurski Instituto de Computação - UFF.

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1 Shaders Bruno José Dembogurski Instituto de Computação - UFF

2 Agenda Introdução Shaders Tipos de dados Input/Output Funções e Estruturas de controle Exemplos e Códigos Conclusões

3 Introdução Poder da computação gráfica hoje GPGPU Por que?

4 Introdução Crescimento absurdo no poder de processamento O hardware é relativamente barato Flexibilidade Como?

5 Introdução JOGOS ! Industria exige cada vez mais poder de processamento Gera bilhões de dólares por ano Incentiva cada vez mais o desenvolvimento do hardware E acaba por baixar o custo

6 Introdução Desde 2000 o poder aplicado ao processamento de vértices e fragmentos tem crescido a uma taxa absurda

7 Introdução GPUs são rápidas GHz Intel Core2 Duo (WoodCrest Xeon 5160) Poder: 48 GFLOPS – pico Memory Bandwidth: 21GB/s – pico Preço: 874 dólares NVIDIA GeForce 8800GTX: Poder: 330 GFLOPS Memory Bandwidth: 55.2 GB/s Preço: 599 dólares

8 Introdução NVIDIA Tesla Computing Solutions now with the world's first teraflop parallel processor

9 Introdução

10 Versão simplificada da pipeline GPUCPU Application Transform & Light Rasterize Shade Video Memory (Textures) Xformed, Lit Vertices (2D) Graphics State Render-to-texture Assemble Primitives Vertices (3D) Screenspace triangles (2D) Fragments (pre-pixels) Final Pixels (Color, Depth)

11 Introdução Processador de Vértices Programável GPU Transform & Light CPU Application Rasterize Shade Video Memory (Textures) Xformed, Lit Vertices (2D) Graphics State Render-to-texture Assemble Primitives Vertices (3D) Screenspace triangles (2D) Fragments (pre-pixels) Final Pixels (Color, Depth) Fragment Processor Vertex Processor Processador de fragmentos Programável

12 Introdução Geração de geometria programável GPUCPU Application Vertex Processor Rasterize Fragment Processor Video Memory (Textures) Xformed, Lit Vertices (2D) Graphics State Render-to-texture Vertices (3D) Screenspace triangles (2D) Fragments (pre-pixels) Final Pixels (Color, Depth) Assemble Primitives Geometry Processor Acesso a memória mais flexivel

13 Shaders Shaders são programas que executam em determinadas etapas da pipeline Não são aplicações stand-alone Necessitam de uma aplicação que utilize um API (OpenGL ou Direct3D)

14 Shaders No caso: Vertex shader – Vertex Processor Fragment shader – Fragment Processor Geometry shader – Geometry Processor

15 Shaders Vertex Processor Transforma do espaço de mundo para o espaço de tela Calcula iluminação per-vertex

16 Shaders Geometry Processor Como os vértices se conectam para formar a geometria Operações por primitiva

17 Shaders Fragment Processor Calcula a cor de cada pixel Obtém cores de texturas

18 Shaders Hoje temos que a programação de shaders é feita em linguagens de alto nível No estilo de c/c++ As principais que temos hoje: GLSL – OpenGL Shader Language HLSL – High Level Shader Language Cg – C for Graphics

19 Shaders Temos algumas ferramentas que servem tanto para criação e edição de shaders: NVIDIA FX Composer 2.5 RenderMonkey ATI

20 Shaders

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23 Tipos de dados Estruturas bem intuitivas Vetores: vec2, vec3 e vec4 – floating point ivec2, ivec3 e ivec4 – interger bvec2, bvec3 e bvec4 – boolean Matrizes mat2, mat3 e mat4 – floating point

24 Tipos de dados Texturas Sampler1D, Sampler2D, Sampler3D - texturas 1D, 2D e 3D SamplerCube – Cube map textures Sampler1Dshadow, Sampler2DShadow – mapa de profundidade 1D e 2D

25 Input/Output Existem 3 tipos de input em um shader: Uniforms Varyings Attributes

26 Input/Output Uniforms Não mudam durante o rendering Ex: Posição da luz ou cor da luz Esta presente em todos os tipos de shader Varyings Usando para passar dados do vertex shader para o fragment shader ou geometry shader

27 Input/Output Varyings São read-only no fragment e geometry shader mas read/write no vertex shader Para usar deve-se declarar a mesma varying em todos os programas Attributes Estão presentes apenas nos Vertex shaders São valores de input mudam em cada vertice

28 Input/Output Attributes Ex: Posição do vértice ou normais São apenas read-only

29 Input/Output Exemplos de Input Attibutes no vertex shader gl_Vertex – vetor 4D, posição do vértice gl_Normal – vetor 3D, Normal do vértice gl_Color – vetor 4D, cor do vértice gl_MultiTexCoordX – vetor 4D, coordenada de textura na unit X Existem vários outros atributos

30 Input/Output Exemplos de Uniforms gl_ModelViewMatrix gl_ModelViewProjectionMatrix gl_NormalMatrix

31 Input/Output Exemplos de Varyings gl_FrontColor - vetor 4D com a cor frontal das primitivas gl_BackColor – vetor 4D com a cor de trás das primitivas gl_TexCoord[N] – vetor 4D representando a n-ésima coordenada de textura

32 Input/Output Exemplos de output: gl_Position – vetor 4D representando a posição final do vértice gl_FragColor – vetor 4D representando a cor final que será escrita no frame buffer gl_FragDepth – float representando o depth que será escrito do depth buffer

33 Input/Output Também é possível definir attributes, Uniforms e varyings Ex: Passar um vetor tangente 3D por todos os vértices da sua aplicação É possível especificar o atributo tangente attribute vec3 tangente;

34 Input/Output Alguns outros exemplos: uniform sampler2D my_color_texture; varying vec3 vertex_to_light_vector; varying vec3 vertex_to_eye_vector; attribute vec3 binormal;

35 Funções e Estruturas de Controle Similar a linguagem C Suporta estruturas de loop e decisão If/else For Do/while Break Continue

36 Funções e Estruturas de Controle Possui funções como: Seno (sin) Cosseno (cos) Tangente (tan) Potencia (pow) Logaritmo (log) Logaritmo (log2) Raiz (sqrt)

37 Exemplos e Códigos Antes de criar os shaders mesmo temo que definir uma função (no caso de GLSL) para carregar e enviar os shaders para o hardware Esta função já é bem difundida e fácil de encontrar e manipular

38 Exemplos e Códigos void setShaders() char *vs = NULL,*fs = NULL,*fs2 = NULL; v = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER); f = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER); vs = textFileRead("minimal.vert"); fs = textFileRead("minimal.frag"); const char * vv = vs; const char * ff = fs; glShaderSource(v, 1, &vv,NULL); glShaderSource(f, 1, &ff,NULL); free(vs);free(fs); glCompileShader(v); glCompileShader(f); p = glCreateProgram(); glAttachShader(p,v); glAttachShader(p,f); glLinkProgram(p); glUseProgram(p);

39 Exemplos e Códigos O código shader mais simples (Estilo Hello World) Vertex Shader void main() { gl_Position = ftransform(); }

40 Exemplos e Códigos O código shader mais simples (Estilo Hello World) Fragment Shader void main() { gl_FragColor = vec4(0.4,0.4,0.8,1.0); }

41 Exemplos e Códigos Resultado:

42 Exemplos e Códigos Toon shading Vertex shader varying vec3 normal; void main() { normal = gl_Normal; gl_Position = ftransform(); }

43 Exemplos e Códigos Toon shading Fragment shader uniform vec3 lightDir; varying vec3 normal; void main() { float intensity; vec4 color; intensity = dot(lightDir,normalize(normal)); if (intensity > 0.95) color = vec4(1.0,0.5,0.5,1.0); else if (intensity > 0.5) color = vec4(0.6,0.3,0.3,1.0); else if (intensity > 0.25) color = vec4(0.4,0.2,0.2,1.0); else color = vec4(0.2,0.1,0.1,1.0); gl_FragColor = color; }

44 Exemplos e Códigos Toon shading

45 Exemplos e Códigos Mexendo na geometria Shader achatar o modelo 3D, ou seja, z = 0 void main(void) { vec4 v = vec4(gl_Vertex); v.z = 0.0; gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * v; }

46 Exemplos e Códigos Resultados

47 Exemplos e Códigos Distorcendo ainda mais a geometria void main(void) { vec4 v = vec4(gl_Vertex); v.z = sin(5.0*v.x )*0.25; gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * v; }

48 Exemplos e Códigos Resultados

49 Exemplos e Códigos É possível fazer uma animação com os vértices Para isso precisamos de uma variável que mantenha a passagem do tempo ou dos frames Não temos como fazer isso no vertex shader, logo temos que definir essa variável na aplicação OpenGL

50 Exemplos e Códigos E passar para o shader na forma de uma variável Uniform uniform float time; void main(void) { vec4 v = vec4(gl_Vertex); v.z = sin(5.0*v.x + time*0.01)*0.25; gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * v; }

51 Exemplos e Códigos No caso a função de render ficaria: void renderScene(void) { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); glLoadIdentity(); gluLookAt(0.0,0.0,5.0, 0.0,0.0,0.0, 0.0f,1.0f,0.0f); glUniform1fARB(loc, time); glutSolidTeapot(1); time+=0.01; glutSwapBuffers(); }

52 Exemplos e Códigos Vídeo

53 Exemplos e Códigos Texturing GLSL tem que ter acesso as coordenadas de textura por vértice GLSL provê variáveis do tipo Attribute, para cada unidade de textura (max 8) attribute vec4 gl_MultiTexCoord0..8

54 Exemplos e Códigos Texturing Precisa calcular a coordenada de textura Armazenar em uma variável varying gl_TexCoord[i] onde i é a unidade de textura utilizada gl_TexCoord[0] = gl_MultiTexCoord0;

55 Exemplos e Códigos Texturing Um simples código para definir coordenadas de textura para uma textura utilizando a unit 0 Vertex Shader void main() { gl_TexCoord[0] = gl_MultiTexCoord0; gl_Position = ftransform(); }

56 Exemplos e Códigos Texturing gl_TexCoord é uma variável varying Será utilizada no fragment shader para acessar as coordenadas de textura interpoladas Para acessar os valores de textura temos que declarar uma variável do tipo uniform no fragment shader Para uma textura 2D temos: uniform sampler2D tex;

57 Exemplos e Códigos Texturing A função que nos retorna um textel é a texture2D Os valores retornados levam em consideração todos as definições de textura feitos no OpenGL (filtering, mipmap, clamp, etc)

58 Exemplos e Códigos Texturing O fragment shader ficaria assim: uniform sampler2D tex; Void main() { vec4 color = texture2D(tex,gl_TexCoord[0].st); gl_FragColor = color; }

59 Exemplos e Códigos Texturing São necessárias algumas inicializações na aplicação para que o shader possa utilizar a textura glActivateTexture(GL_TEXTUREi) onde i = 0..8 glGenTextures(1, &Textura); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, Textura); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, level, format, Width, Height, 0, GL_RGB,GL_UNSIGNED_BYTE, TexureInfo);

60 Exemplos e Códigos Texturing glEnable (GL_TEXTURE_2D); glBegin(GLenum Mode);. glEnd(); glDisable (GL_TEXTURE_2D);

61 Exemplos e Códigos Bump Mapping Segue as mesmas idéias vistas Vertex shader uniform mat4 view_matrix; uniform mat4 inv_view_matrix; uniform vec4 view_position; uniform vec4 light_position; uniform vec4 lightDir; attribute vec3 rm_Tangent; attribute vec3 rm_Binormal; varying vec2 vTexCoord; varying vec3 vLightVector; varying vec3 vHalfAngle; varying vec3 vNormal;

62 Exemplos e Códigos Bump Mapping void main( void ) { gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex; vec4 eye_position = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex; //** //** Passa as coordenadas de textura //** vTexCoord = vec2(gl_MultiTexCoord0);

63 Exemplos e Códigos Bump Mapping //** //** Espaço tangente //** vec3 tangent = vec3( rm_Tangent.x, rm_Tangent.y, rm_Tangent.z); vec3 normal = vec3( gl_Normal.x, gl_Normal.y, gl_Normal.z); vec3 binormal = vec3(rm_Binormal.x, rm_Binormal.y, rm_Binormal.z);

64 Exemplos e Códigos Bump Mapping //** //** Calcula o vetor de iluminação no espaço de câmera, //** transforma para o espaço tangente. //** vec3 temp_light_position = vec3( vec4(light_position.x, light_position.y, -light_position.z, light_position.w) * inv_view_matrix); vec3 temp_light_vector = temp_light_position.xyz - gl_Vertex.xyz; vLightVector.x = dot( temp_light_vector, tangent ); vLightVector.y = dot( temp_light_vector, binormal ); vLightVector.z = dot( temp_light_vector, normal );

65 Exemplos e Códigos Bump Mapping //** //**Mesma coisa para o view vector //** vec4 oglEyePos = eye_position; oglEyePos.z = -oglEyePos.z; vec3 temp_eye_position = vec3( oglEyePos * inv_view_matrix) ; vec3 temp_view_vector = temp_eye_position - gl_Vertex.xyz; vec3 temp_view_vector2; temp_view_vector2.x = dot( temp_view_vector, tangent ); temp_view_vector2.y = dot( temp_view_vector, binormal ); temp_view_vector2.z = dot( temp_view_vector, normal );

66 Exemplos e Códigos uniform samplerCube environment_map; uniform sampler2D bump_map; uniform sampler2D base_map; varying vec2 vTexCoord; varying vec3 vLightVector; varying vec3 vHalfAngle; Bump Mapping Fragment Shader uniform float Kd; uniform float Ka; uniform vec4 diffuse; uniform vec4 ambient; uniform float Ks; uniform vec4 specular; uniform float specular_power; uniform float reflectance; uniform float bumpiness; uniform mat4 view_matrix;

67 Exemplos e Códigos Bump Mapping void main(void) { //** //** Pega os componente de cor e bump das texturas //** baseadas nas coordenadas passadas //** vec3 base = texture2D( base_map, vTexCoord ).xyz; vec3 bump = texture2D( bump_map, vTexCoord ).xyz;

68 Exemplos e Códigos Bump Mapping //** //** Normaliza os vetores passados pelo vertex shader //** vec3 normalized_light_vector = normalize( vLightVector ); vec3 normalized_half_angle = normalize( vHalfAngle ); //** //** Suaviza os niveis de bump //** vec3 smooth = vec3(0.5, 0.5, 1.0); bump = mix( smooth, bump, bumpiness ); bump = normalize( ( bump * 2.0 ) );

69 Exemplos e Códigos Bump Mapping //** //** Modelo de iluminação //** NxL – Normal x vetor da luz //** NxH – Normal x Half Vector //** vec3 n_dot_l = vec3(dot( bump, normalized_light_vector )); vec3 n_dot_h = vec3(dot( bump, normalized_half_angle ));

70 Exemplos e Códigos Bump Mapping //** //** Calcula a cor resultante, //** baseado no modelo de iluminação. //** Ambient + Diffuse + Specular //** vec3 color0 = ( base * ambient.xyz * Ka ) + ( base * diffuse.xyz * Kd * max( vec3(0.0), n_dot_l ) ) + ( specular.xyz * Ks * pow( max( vec3(0.0), n_dot_h ), vec3(specular_power) ));

71 Exemplos e Códigos Bump Mapping float color0_a = 1.0; //** Define o alfa gl_FragColor = vec4(color0.xyz, color0_a); //** retorna a cor

72 Exemplos e Códigos Bump Mapping

73 Conclusões Apenas um introdução Existem muitas outras utilidades para os shaders Muitos outros efeitos que podem ser criados

74 Conclusões

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79 Gears of War Video GRID Video

80 Referencias GLSL Quick Guide NeHe Produtions Wiki GLSL LightHouse


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