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Pixel-Shader

Pixel-Shader (auch Pixelshader, Fragment-Shader, Abk. PS) sind Programme, die vom Grafikprozessor einer 3D-Grafikkarte im Verlauf der Grafikpipeline (in den sogenannten Shadereinheiten) ausgeführt werden. Häufig werden auch die Shadereinheiten selbst als Pixel-Shader bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Funktion

Pixel-Shader dienen dazu, die zu rendernden Fragmente zu verändern, um beispielsweise eine realistischere Darstellung von Oberflächen- und Materialeigenschaften zu erreichen oder die Texturdarstellung zu verändern. Die Pixel des endgültigen Bildes ergeben sich unter Umständen aus mehreren Fragmenten, zum Beispiel wenn aufgrund von Transparenz mehrere Objekte gleichzeitig gesehen werden können. Die Shader verarbeiten diese Objekte unabhängig voneinander, daher ist der Begriff Fragment-Shader eigentlich die korrekte Bezeichnung. Allerdings hat sich der Begriff Pixel-Shader eingebürgert.

Pixel-Shader unterscheiden sich von den Vertex-Shadern, welche die Vertices (Eckpunkte von dreidimensionalen Objekten) verändern, um die 3D-Objekte in ihrer Form oder Position zu manipulieren. Beispiele für die Anwendung von Pixel-Shadern sind Phong Shading, Spiegelungen, Schattierung, Falloff, Lensglow und Lens Flares; auch HDR-Rendering wird mit ihrer Hilfe programmiert (unter Nutzung von Framebuffern, die mehr als 8 Bit pro Subpixel unterstützen).

Da die Shadereinheiten, die die Pixel-Shader ausführen, Teil der GPU sind, müssen diese Programme nicht mehr auf der CPU des Systems laufen, dadurch wird diese entlastet und kann für andere Aufgaben eingesetzt werden. In der Regel werden mehrere Shadereinheiten in GPUs verbaut, damit diese nicht zum Flaschenhals der Grafikpipeline werden.

Zusätzliche Informationen zur Verarbeitungskette gibt es im Artikel zu den Shadern.

Programmierung

Pixel-Shader werden in speziell dafür vorgesehenen Sprachen geschrieben (Assembler, Cg, GLSL, HLSL) und zur Laufzeit der 3D-Anwendung vom Grafikkartentreiber in einen für die Grafikkarte verständlichen Maschinencode übersetzt, der dann in den Shadereinheiten ausgeführt wird. Damit diese Funktionalität auch einheitlich von Anwendungen genutzt werden kann, bieten sowohl DirectX als auch OpenGL Schnittstellen für die Anwendung von Pixel-Shadern.

Im Laufe der Zeit haben Funktionsumfang und Leistungsfähigkeit der anfangs noch ziemlich einfachen Shadereinheiten stark zugenommen; heute ist ihre Programmierbarkeit so weit fortgeschritten, dass man mit ihnen viele Berechnungen erledigen kann, die bisher nur CPUs ausführen konnten, oftmals sogar wesentlich schneller. Hierbei entstanden gerade bei DirectX diverse Versionen der Pixel-Shader, die von verschiedenen Grafikchips unterschiedlich gut unterstützt werden. Seit OpenGL 2.0 sind die Pixel-Shader auch in OpenGL voll integriert (siehe hierzu auch OpenGL Shading Language (GLSL)).

Kompatibilität

Hardware

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht, welche Grafikkarten bzw. Grafikchips mit welcher DirectX-Version welche Pixel-Shader-Version unterstützen. Hierbei ist zu beachten, dass Grafikchips in der Regel ältere Versionen ebenfalls unterstützen, so können beispielsweise Pixel-Shader-3.0-Chips auch mit Pixel-Shadern der Version 2.0 arbeiten (was allerdings weniger das Verdienst des Grafikchips als des Grafikkartentreibers ist).

PS-Version nötige DirectX Version 3DLabs ATI Intel Matrox NVIDIA S3 Graphics SiS XGI
1.0/1.1 8.0 - - - - GeForce-3-Serie - Xabre-Serie -
1.2 8.0a Wildcat VP - - - - - - -
1.3 8.0a - - - Parhelia-Serie GeForce4-Ti/Go-Serie - Mirage 2 -
1.4 8.1 - Radeon 8500 - 9250 - - - - - Volari-V3-Serie (außer V3XT)
2.0 9.0 Wildcat Realizm Radeon 9500 - 9800, X300 - X600 Intel GMA 900 - - DeltaChrome, GammaChrome, Chrome-S2x-Serie Mirage 3, Mirage 3+ Volari V3XT, Volari-V5-Serie, Volari-V8-Serie, Volari 8300, Volari XP10
2.0a 9.0b - - - - GeForce-FX-Serie - - -
2.0b 9.0b - Radeon X700 - X850 - - - - - -
3.0 9.0c - Radeon-X1-Serie Intel GMA 950, 3000, X3000 - GeForce-6-Serie, GeForce-7-Serie - - -
4.0 10 - Radeon-HD-2000-Serie Intel GMA X3100, X3500 - Geforce-8-Serie, Geforce-9-Serie - Mirage 4 -
4.1 10.1 - Radeon-HD-3000-Serie, Radeon-HD-4000-Serie - - - - - -

(kursiv gestellte Namen zeigen an, dass dieses Produkt noch nicht auf dem Markt ist)

Software

Weil je nach Shaderversion der Funktionsumfang und die Programmierbarkeit stark unterschiedlich ausfallen kann, steht ein Entwickler prinzipiell vor der Wahl,

Siehe auch