Vykreslovací pipeline (rendering pipeline)

Příklady z praxe

1. 01

   Minimální dvojice shaderů ve WebGL

   Nejjednodušší průchod pipeline potřebuje vertex shader, který vrchol umístí do clip prostoru, a fragment shader, který vrátí barvu. Vše mezi tím (ořez, rasterizaci, hloubkový test) obstará hardware. Ukázka vykreslí jednobarevný trojúhelník z předaných pozic.

   // vertex shader (GLSL ES)
   attribute vec3 aPosition;
   uniform mat4 uMVP;
   void main() {
     gl_Position = uMVP * vec4(aPosition, 1.0);
   }
   
   // fragment shader
   precision mediump float;
   void main() {
     gl_FragColor = vec4(0.9, 0.3, 0.2, 1.0);
   }

2. 02

   Hra běží na 40 FPS kvůli overdrawu

   Tým řeší propad snímkování v lesní scéně. Profiler ukáže, že fragment shader se pro každý pixel spustí v průměru šestkrát, protože se listí vykresluje v náhodném pořadí a průhledné plochy nejdou seřadit. Zavedení depth prepassu pro neprůhledné kmeny a řazení listů zepředu dozadu sníží počet vykonaných fragment shaderů zhruba na polovinu a snímkování se vrátí nad 60 FPS.

Časté omyly

MýtusCelou pipeline si dnes napíšu v shaderech, jak chci.

Ve skutečnostiProgramovatelné jsou jen některé etapy. Rasterizace, hloubkový a stencil test i blending zůstávají pevnou hardwarovou logikou, kterou lze nastavit, ale ne přepsat. Vlastní vykreslovací algoritmus mimo tyto etapy vyžaduje compute shadery nebo ray tracing API.

MýtusFragment a pixel jsou to samé.

Ve skutečnostiFragment je kandidát na pixel vzniklý rasterizací jednoho primitiva. Na jeden pixel může připadnout mnoho fragmentů z různých trojúhelníků a část z nich hloubkový test zahodí dřív, než se cokoli zapíše do framebufferu.

MýtusSilnější grafická karta vyřeší nízké FPS vždycky.

Ve skutečnostiÚzkým hrdlem bývá často CPU, konkrétně počet draw callů a změn stavu pipeline. Pokud GPU čeká na příkazy, rychlejší čip nepomůže; pomůže dávkování geometrie, instancing nebo API s nižší režií ovladače.

Časté dotazy

Jaký je rozdíl mezi vykreslovací pipeline a ray tracingem?

Vykreslovací pipeline v klasickém pojetí rasterizuje: pro každý trojúhelník najde pixely, které pokrývá, a viditelnost řeší hloubkovým bufferem. Ray tracing postupuje opačně, od pixelu vysílá paprsek do scény a hledá nejbližší zásah, takže odrazy, lomy a měkké stíny vycházejí přirozeně z principu. Rasterizace je výrazně levnější na běžnou geometrii a zůstává základem her v reálném čase. V praxi se dnes obojí kombinuje: rastr určí viditelné povrchy a paprsky doplní odrazy nebo globální osvětlení.

Proč moderní API vyžadují pipeline state object dopředu?

Pipeline state object sdružuje kompletní konfiguraci vykreslování: použité shadery, formát vrcholů, nastavení rasterizace, hloubkového testu i blendingu. Starší API dovolovala měnit každý stav zvlášť, takže ovladač musel před každým kreslením kontrolovat kombinaci nastavení a případně kompilovat nové varianty shaderů. Předkompilovaný objekt tuto práci přesune na start aplikace. Výsledkem je předvídatelnější snímkování a menší zátěž CPU za cenu delší inicializace a nutnosti spravovat větší množství variant.

Jak zjistím, která etapa pipeline brzdí moji aplikaci?

Nejspolehlivější cestou je zachycení snímku nástrojem pro ladění grafiky, například RenderDoc, Nsight Graphics nebo profilerem v herním enginu. Tyto nástroje ukážou čas strávený v jednotlivých průchodech, počet draw callů, počet vykonaných vertex a fragment shaderů i objem přenesených textur. Praktická zkratka je snížit rozlišení: pokud snímkování výrazně stoupne, brzdí fragment shader nebo šířka pásma paměti. Když se nezmění nic, hrdlo leží na straně CPU nebo ve zpracování geometrie.

Potřebuje 2D vykreslování také pipeline?

Vykreslovací pipeline se používá i pro dvourozměrnou grafiku. Prohlížeče, herní enginy i UI knihovny posílají na GPU obdélníky složené ze dvou trojúhelníků, na které nanášejí textury s obrázky nebo vyrenderovaným textem. Vertex shader řeší umístění a měřítko, fragment shader vzorkuje texturu a míchá průhlednost. Rozdíl proti 3D je hlavně v tom, že se obvykle vypíná hloubkový test a pořadí kreslení určuje viditelnost přímo.

Zdroje

1. Khronos OpenGL Registry(otevře se v novém okně)Khronos Group
2. WebGL API(otevře se v novém okně)MDN Web Docs
3. Graphics pipeline(otevře se v novém okně)Wikipedia

Související pojmy

• Polygonální síťPolygonální síť je datová reprezentace 3D povrchu složená z vrcholů, hran a plošek, nejčastěji trojúhelníků nebo čtyřúhelníků. V grafice určuje tvar modelu, umožňuje texturování, výpočet osvětlení a animaci, ale zároveň ovlivňuje paměť, výkon renderingu a kvalitu deformací. Používá se v herních enginech a DCC nástrojích.
• RasterizaceRasterizace je převod geometrie, písma, vektorových tvarů nebo obrazových popisů na mřížku pixelů či vzorků. V grafických kartách tvoří klíčový krok mezi 3D scénou a obrazem na displeji: rozhoduje, které pixely pokrývá trojúhelník, jakou mají hloubku a jaké fragmenty dostanou shadery.
• Ray tracingRay tracing je technika vykreslování, která simuluje cestu světelných paprsků scénou a z jejich průsečíků s objekty počítá barvu pixelů. Používá se pro věrohodné odrazy, stíny, průhlednost a globální osvětlení, ale je výpočetně náročnější než běžná rasterizace.
• ShaderShader je malý program, který běží přímo na grafické kartě a určuje, jak se vykreslí geometrie nebo jednotlivý pixel. Spouští se v tisících kopií najednou, každá nad jiným vrcholem nebo pixelem, což je zdroj jeho výkonu i jeho omezení.
• Level of DetailLevel of Detail je technika real-time grafiky, která pro každý objekt vybírá zjednodušenou variantu geometrie, textur nebo stínování podle toho, jak velký je objekt na obrazovce. Vzdálený model se vykreslí s desetinou trojúhelníků, blízký v plné kvalitě. Cílem je udržet snímkovou frekvenci bez viditelné ztráty kvality.
• Vertex shaderVertex shader je program běžící na GPU pro každý vstupní vrchol modelu, který vypočítá jeho polohu pro další fáze grafické pipeline. Obvykle převádí souřadnice z prostoru objektu přes kameru do projekce a předává interpolovatelná data, například barvu, normálu nebo UV souřadnice, fragment shaderu.
• 3D model3D model je digitální reprezentace objektu nebo prostoru ve třech rozměrech, složená z geometrie, materiálů a často i textur, animací či fyzikálních vlastností. Používá se v hrách, filmech, průmyslovém návrhu, architektuře, e-commerce i simulacích, kde software z modelu počítá zobrazení nebo další data.
• Adresa v pamětiAdresa v paměti je číslo, kterým procesor jednoznačně označuje konkrétní buňku operační paměti, obvykle jeden bajt. Program pomocí adresy říká, odkud má data načíst nebo kam je zapsat. Adresy tvoří souvislý číselný rozsah, jehož velikost určuje šířka adresní sběrnice a architektura, typicky 32 nebo 64 bitů.