著色器——圖形卡上的程序

著色器(shader)這個(gè)詞帶有一定的誤導(dǎo)性。最初的著色器程序主要用于處理組成每個(gè)多邊形表面的像素，以便為模型著色。但是隨著時(shí)間推移，著色器程序的功能已經(jīng)被擴(kuò)展，現(xiàn)在還可以修改頂點(diǎn)屬性、創(chuàng)建新頂點(diǎn)，甚至完成一般的操作。

著色器與運(yùn)行在CPU上的普通程序具有不同的工作方式。著色器程序在大量的元件上同時(shí)執(zhí)行，這意味著著色器程序是大規(guī)模并行程序，而運(yùn)行在CPU上的程序一般則是串行運(yùn)行的，一次只有一個(gè)實(shí)例運(yùn)行。著色器程序非常適合對(duì)構(gòu)成3D世界的像素和頂點(diǎn)的集合執(zhí)行操作。

目前共有3類著色器，分別是頂點(diǎn)著色器、幾何著色器和像素著色器，每種著色器都只能執(zhí)行特定的操作。頂點(diǎn)著色器處理頂點(diǎn)，像素著色器處理像素，幾何著色器處理圖元。為了降低復(fù)雜性，并使硬件制造商可以更高效地進(jìn)行優(yōu)化，所有這些著色器都被一種叫統(tǒng)一著色器(unified shader)的著色器替代了。

著色器通過運(yùn)行在圖形卡上的特殊語言進(jìn)行編程。目前，這些語言比C++低級(jí)得多(更別提C#了)。OpenGL有一門叫做GLSL(OpenGL Shading Language，OpenGL著色語言)的著色語言，它與C語言有些類似，但是有大量用于處理向量和矩陣的特殊操作。DirectX也有自己的著色語言，叫做HLSL(High Level Shading Language，高級(jí)著色語言)。兩種語言十分類似。讓人更加困惑的是，除了這兩種語言以外，還有一種叫做Cg的語言，它由Microsoft和Nvidia開發(fā)，與HLSL有些類似。

游戲中的著色器非常適合創(chuàng)建需要進(jìn)行大量計(jì)算的特殊效果，如視差貼圖的光照。當(dāng)前的技術(shù)使得著色器程序幾乎不能用于其他用途。本書主要介紹游戲編程，由于可編程流水線是一個(gè)很大的主題，所以不會(huì)討論該技術(shù)。如果對(duì)此主題感興趣，可以參閱附錄A部分，那里介紹了幾本非常好的書籍。

著色器的一種趨勢是用于一般性的并行編程任務(wù)，而不只是處理圖形。例如，Nvidia PhysX庫允許在GPU而非CPU上完成物理計(jì)算，從而得到更佳的性能。PhysX是用另外一種叫做CUDA的著色器語言編寫的，但是CUDA與其他著色器語言有一些不同，這種語言不怎么關(guān)注像素和頂點(diǎn)，而是更關(guān)注一般目的的并行編程。假設(shè)在游戲中要模擬一個(gè)城市，并且有一個(gè)非常新奇的并行算法可以更新城市中的全部居民，那么這種計(jì)算在GPU上可以更快地執(zhí)行，而CPU就可以被解放出來，執(zhí)行其他任務(wù)。CUDA通常用于科學(xué)研究項(xiàng)目，因?yàn)檫@是利用強(qiáng)大的計(jì)算能力的一種廉價(jià)的方式。使用CUDA的應(yīng)用程序包括量子化學(xué)計(jì)算、心肌模擬和黑洞建模。

2.4  Tao框架

Tao框架是C#使用OpenGL庫的一種方式。Tao包裝了許多C庫(見表2-1)，并使得在C#中使用這些函數(shù)變得很簡單。Tao中還綁定了Mono，所以也可以用在Linux和Mac中。

通過Tao，C#不只可以使用OpenGL，還可以使用其他一些有用的庫。