Язык Cg (Computer Graphics) от NVIDIA открыл новые возможности для создания визуальных эффектов в компьютерных играх и 3D-приложениях. Разработанный в 2002 году, он позволил программистам и художникам создавать реалистичные текстуры, освещение и спецэффекты без глубокого знания низкоуровневого ассемблера.
Синтаксис Cg, основанный на C, делает программирование шейдеров доступным для широкого круга разработчиков. Каждая строка кода превращается в математические инструкции для GPU, позволяя создавать эффекты размытия, отражений, теней и деформаций в реальном времени. Такой подход радикально изменил процесс разработки компьютерной графики.
Тесная интеграция с DirectX и OpenGL превратила Cg в мощный инструмент для создания кроссплатформенных приложений. Художник может написать один шейдер и использовать его как в мобильных играх, так и в высокобюджетных проектах для PC, что значительно ускоряет рабочий процесс и сокращает затраты на разработку.
Базовые компоненты синтаксиса Cg и их отличия от HLSL
Синтаксис Cg имеет ряд уникальных особенностей, которые отличают его от HLSL при создании графических шейдеров. Основное различие заключается в объявлении входных и выходных параметров: в Cg используются ключевые слова IN и OUT, тогда как HLSL применяет семантики напрямую к параметрам функций.
В Cg computer-график работает с типами данных float4x4 для матриц и float4 для векторов, а в HLSL применяются matrix и vector. Структуры в Cg определяются через struct без дополнительных модификаторов, что упрощает программирование шейдерных эффектов.
Специфика семантик в Cg:
- POSITION используется для позиций вершин
- TEXCOORD0-TEXCOORD7 для текстурных координат
- COLOR0-COLOR1 для цветовых атрибутов
- NORMAL для нормалей
Художник, работающий с Cg, может использовать встроенные функции lerp(), mul() и dot() без префикса, в отличие от HLSL, где требуется указывать namespace. Сэмплирование текстур в Cg выполняется через tex2D(), а в HLSL через Texture2D.Sample().
Особенности компиляции:
- Cg компилируется через cgc
- Профили компиляции начинаются с vp/fp
- Поддерживается кросс-платформенная компиляция
- Возможность генерации кода для различных GPU
Создание первого пиксельного шейдера на Cg для Unity
Пиксельный шейдер в Unity начинается с создания файла с расширением .shader. Этот файл содержит программный код, который определяет, как каждый пиксель будет обрабатываться на графическом процессоре computer.
Структура базового пиксельного шейдера:
- Определение имени и свойств шейдера:
Shader 'Custom/FirstPixelShader' { Properties { _Color ('Main Color', Color) = (1,1,1,1) _MainTex ('Texture', 2D) = 'white' {} } } - Блок SubShader с настройками рендеринга:
SubShader { Tags { 'RenderType'='Opaque' } LOD 200 - Программа для фрагментного шейдера:
CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include 'UnityCG.cginc'
Основные этапы создания:
- Создайте новый файл шейдера через контекстное меню Unity: Create > Shader > Standard Surface Shader
- Замените стандартный код вашей программой на Cg
- Создайте материал и присвойте ему новый шейдер
- Примените материал к объекту сцены
Пример простого цветового эффекта:
float4 frag(v2f i) : COLOR { float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv); return texColor * _Color; }
Этот код демонстрирует базовое взаимодействие программиста и художника: график задает текстуру и цвет через инспектор Unity, а программирование шейдера определяет их обработку.
Отладка шейдера:
- Используйте Frame Debugger для визуального контроля результата
- Проверяйте значения в разных каналах текстуры
- Тестируйте на разных материалах и освещении
После компиляции шейдер становится исполняемым кодом для графического процессора, обрабатывающим каждый пиксель согласно заданной логике.
Методы оптимизации вычислений в вершинных шейдерах Cg
Оптимизация вершинных шейдеров Cg требует понимания специфики работы графического процессора. Каждая дополнительная математическая операция в коде шейдера увеличивает время обработки вершины.
Математические оптимизации:
- Замена деления умножением на обратное число (1/x)
- Использование встроенных быстрых функций (fast_sin, fast_cos)
- Предварительный расчет констант на CPU
Работа с памятью:
- Минимизация количества текстурных выборок
- Использование локальных переменных вместо глобальных
- Кэширование часто используемых значений в регистрах
Художник может существенно влиять на производительность через правильную подготовку 3D-моделей. Оптимальная топология и грамотное UV-развёртывание снижают нагрузку на вершинный шейдер.
Практические приёмы computer-оптимизации:
1. Векторизация вычислений через mul(float4x4, float4)
2. Замена тригонометрических функций полиномами Тейлора
3. Перенос статических вычислений в uniform-переменные
При программировании анимационных эффектов следует избегать условных операторов в шейдере. Вместо них рекомендуется использовать линейную интерполяцию через lerp() или step().
Построение график-зависимых вычислений требует учёта специфики целевой платформы. Мобильные GPU предпочитают короткие шейдеры с минимумом ветвлений, десктопные - допускают более сложную логику.
Интеграция шейдеров Cg с системой рендеринга OpenGL
Процесс интеграции Cg-шейдеров в OpenGL требует настройки соответствия между атрибутами программы и данными графического конвейера. Для программиста и computer график-художника ключевым этапом становится правильная инициализация CgContext и привязка профилей.
| Профиль OpenGL | Назначение | Версия OpenGL |
|---|---|---|
| arbvp1 | Вершинные шейдеры | >= 1.4 |
| arbfp1 | Фрагментные шейдеры | >= 1.4 |
| glslv | GLSL-совместимые вершинные шейдеры | >= 2.0 |
Базовая последовательность интеграции включает:
- cgCreateContext()
- cgGLRegisterStates(context)
- cgGLEnableProfile(profile)
- cgCreateProgram(context, CG_SOURCE, source, profile, entry, args)
Для корректной работы с текстурами необходимо использовать следующий код:
CGprogram program = cgCreateProgram(context,
CG_SOURCE,
shaderSource,
CG_PROFILE_ARBVP1,
'main',
NULL);
Привязка параметров шейдера к OpenGL осуществляется через:
- cgGLSetParameter1f() - для скалярных значений
- cgGLSetParameter4fv() - для векторов
- cgGLSetStateMatrixParameter() - для матриц преобразований
Синхронизация буферов и текстурных юнитов выполняется через cgGLSetTextureParameter() и cgGLEnableTextureParameter(). При программировании многопроходных эффектов следует учитывать ограничения графического API на количество одновременно активных текстурных модулей.
Отладка и профилирование шейдеров на Cg в режиме реального времени
Разработка шейдеров требует эффективных инструментов отладки для выявления проблем производительности и визуальных артефактов. Современное программирование графических шейдеров на Cg предоставляет несколько специализированных методов диагностики.
Встроенные отладочные функции Cg:
- debug_float() - отображение значений с плавающей точкой
- debug_vec4() - визуализация векторных компонентов
Профилировщик NSight Graphics позволяет отслеживать:
- Время выполнения отдельных проходов шейдера
- Загрузку GPU при обработке фрагментов
- Количество текстурных выборок
- Использование регистров и разделяемой памяти
Методы визуальной отладки:
- Визуализация промежуточных буферов
- Отображение значений в RGB-каналах
- Тепловые карты производительности
- Покадровый анализ результатов
Практические рекомендации:
1. Разделение сложных computer-графических эффектов на отдельные проходы
2. Использование точек останова в коде шейдера
3. Сравнение результатов с эталонным рендерингом
4. Профилирование на различных GPU
Инструменты RenderDoc и Intel Graphics Performance Analyzers дополнительно предоставляют:
- Покадровый захват состояния графического конвейера
- Анализ использования памяти текстур
- Статистику вызовов отрисовки
- Временную развертку выполнения шейдеров
При отладке шейдеров следует обращать внимание на:
- Точность вычислений (float vs half)
- Условные ветвления в коде
- Количество текстурных выборок
- Математические операции с высокой стоимостью
Техники реализации пост-обработки изображения через Cg шейдеры
Пост-обработка в компьютерной графике через Cg шейдеры позволяет применять эффекты к уже отрендеренному изображению. Основной механизм работы включает создание промежуточного рендер-таргета (текстуры), куда записывается исходное изображение сцены для последующей обработки.
Базовые техники пост-обработки через Cg:
- Размытие по Гауссу: реализуется через два прохода - горизонтальный и вертикальный
- Bloom эффект: комбинация выделения ярких областей и размытия
- Цветокоррекция: манипуляции с RGB каналами через кривые
- HDR тональная компрессия: преобразование широкого динамического диапазона
- Виньетирование: затемнение краев экрана через радиальную функцию
Код реализации размытия в Cg:
float4 BlurPixel(float2 uv : TEXCOORD0) : COLOR { float4 color = 0; for(int i = -4; i <= 4; i++) { color += tex2D(_MainTex, uv + float2(i * _BlurSize, 0)) * gaussian[i + 4]; } return color; }
Оптимизация производительности пост-обработки:
- Использование пониженного разрешения для тяжелых эффектов
- Объединение нескольких эффектов в один проход
- Применение текстурного кэширования
- Векторизация вычислений через float4
Программирование сложных эффектов требует комбинирования базовых техник. Например, parallax occlusion mapping сочетает смещение текстурных координат с пост-обработкой нормалей поверхности.
При работе с Cg шейдерами для пост-обработки график кадров должен учитывать дополнительные проходы рендеринга. Каждый эффект увеличивает нагрузку на GPU пропорционально разрешению экрана.
