计算机图形学领域中,着色器(Shader)是一种计算机程序,原本用于进行图像的浓淡处理(计算图像中的光照、亮度、颜色等),但近来,它也被用于完成很多不同领域的工作,比如处理CG特效、进行与浓淡处理无关的影片后期处理、甚至用于一些与计算机图形学无关的其它领域。

使用着色器在图形硬件上计算渲染效果有很高的自由度。尽管不是硬性要求,但目前大多数着色器是针对GPU开发的。GPU的可编程绘图管线已经全面取代传统的固定管线,可以使用着色器语言对其编程。构成最终图像的像素、顶点、纹理,它们的位置、色相、饱和度、亮度、对比度也都可以利用着色器中定义的算法进行动态调整。调用着色器的外部程序,也可以利用它向着色器提供的外部变量、纹理来修改这些着色器中的参数。

在电影后期处理、计算机成像、电子游戏等领域,着色器常被用来制作各种特效。除了普通的光照模型,着色器还可以调整图像的色相、饱和度、亮度、对比度,生成模糊、高光、有体积光源、失焦、卡通渲染、色调分离、畸变、凹凸贴图、色键(即所谓的蓝幕、绿幕抠像效果)、边缘检测等效果。


二维着色器

二维着色器处理的是数字图像,也叫纹理,着色器可以修改它们的像素。二维着色器也可以参与三维图形的渲染。目前只有“像素着色器”一种二维着色器。像素着色器(pixel shader)也叫片段着色器(fragment shader),用于计算“片段”的颜色和其它属性,此处的“片段”通常是指单独的像素。最简单的像素着色器只有输出颜色值;复杂的像素着色器可以有多个输入输出。像素着色器既可以永远输出同一个颜色,也可以考虑光照、做凹凸贴图、生成阴影和高光,还可以实现半透明等效果。像素着色器还可以修改片段的深度,也可以为多个渲染目标输出多个颜色。

三维图形学中,单独一个像素着色器并不能实现非常复杂的效果,因为它只能处理单独的像素,没有场景中其它几何体的信息。不过,像素着色器有屏幕坐标信息,如果将屏幕上的内容作为纹理传入,它就可以对当前像素附近的像素进行采样。利用这种方法,可以实现大量二维后期特效,例如模糊和边缘检测。

像素着色器还可以处理管线中间过程中的任何二维图像,包括精灵和纹理。因此,如果需要在栅格化后进行后期处理,像素着色器是唯一选择。


三维着色器

三维着色器处理的是三维模型或者其它几何体,可以访问用来绘制模型的颜色和纹理。顶点着色器是最早的三维着色器;几何着色器可以在着色器中生成新的顶点;细分曲面着色器(tessellation shader)则可以向一组顶点中添加细节。

顶点着色器处理每个顶点,将顶点的空间位置投影在屏幕上,即计算顶点的二维坐标。同时,它也负责顶点的深度缓冲(Z-Buffer)的计算。顶点着色器可以掌控顶点的位置、颜色和纹理坐标等属性,但无法生成新的顶点。顶点着色器的输出传递到流水线的下一步。如果有之后定义了几何着色器,则几何着色器会处理顶点着色器的输出数据,否则,光栅化器继续流水线任务。

几何着色器可以从多边形网格中增删顶点。它能够执行对CPU来说过于繁重的生成几何结构和增加模型细节的工作。Direct3D版本10增加了支持几何着色器的API, 成为Shader Model 4.0的组成部分。OpenGL只可通过它的一个插件来使用几何着色器,但极有可能在3.1版本中该功能将会归并。几何着色器的输出连接光栅化器的输入。


GLSL 着色语言

GLSL - OpenGL Shading Language 也称作 GLslang,是一个以C语言为基础的高阶着色语言。它是由 OpenGL ARB 所建立,提供开发者对绘图管线更多的直接控制,而无需使用汇编语言或硬件规格语言。

随着近年来显卡性能的提升, 已在渲染管线中的顶点(vertex)和片断(fragment)层次中,加入更具弹性的新功能。 达到在这个层次中,使用片断和顶点着色器的可编程性。最初这个功能是以组合语言撰写着色器来达到的。组合语言对开发者的使用是不直观而复杂的。OpenGL ARB 建立了 OpenGL 着色语言,为 GPU 的程式设计提供更加直观的方法,当维护开放标准的时候,就有助于带动 OpenGL 的历史。

最初 OpenGL 1.5 是以扩充形式引入,后来 OpenGL ARB 在 OpenGL 2.0 核心中正式纳入 GLSL。自 1992 年建立的OpenGL 1.0 起,OpenGL 2.0 是第一个 OpenGL 的大修改版。

使用 GLSL 有如下好处:

  • 具有跨平台的相容性,包括 Macintosh、Windows 和 Linux 等操作系统。
  • 所有支援 OpenGL 着色语言的绘图卡,都可以用来编写着色器。
  • 允许厂商为特定的绘图卡产生最佳化的代码。