Vorlesungsskript Computergraphik II - IWR

Kapitel 2
Graphikkarten Programmierung
Moderne Grafikkarten sind dafür ausgelegt, den Prozess des Renderings eines Bildes sehr schnell auszuführen,
um in Echtzeit Animationen mit qualitativ möglichst hochwertigen Effekten zu berechnen.
Dabei resultiert der Geschwindigkeitsvorteil aus der einfach parallel zu bearbeitenden Bildberechnung,
die auf die einzelnen Prozessoren einer GPU verteilt werden kann. Außerdem werden Vektoroperationen
oder Matrix-Vektor-Produkte in einem einzigen Aufruf über sogenannte Packed arrays
berechnet. Diese Single Instruction Multiple Data (SIMD) Berechnungen sind eine Art Rückkehr des
Vektorrechners aus der Ecke der Hochleistungsrechner auf die Ebene der PC-Technologie. Früher
musste der Programmierer zu einer Assembler-Sprache greifen und den Code auf den eingesetzten
Grafikchip direkt anpassen, inzwischen gibt es dafür Hochsprachen (siehe [FK03]). Das macht es
wiederum interessant, auf der GPU auch Berechnungen vorzunehmen, die typischerweise parallelen
Code auf der CPU erfordern, wie beispielsweise Filterverfahren der Bildverarbeitung, aber auch
einfache finite Differenzen für partielle Differentialgleichnungen, deren Ortsabhängigkeiten oder Geschwindigkeitsfelder
in Texturen gespeichert und über Texturzugriffe neu berechnet werden können.
2.1 Shader Programmierung
Die Idee der Shader stammt aus den großen Studios für Animationsfilme. Ende der 80er Jahre wurde
bei Pixar für ihr Rendering-Interface Renderman eine eigene Shader-Sprache entwickelt. Die Anwendung
beschränkte sich jedoch auf das relativ langsame Batch-Rendering einzelner Filmframes. Mit
einem Shader berechnen die Renderer für jeden Geometriepunkt respektive dargestellten Pixel das
Aussehen, statt nur statisch eine einzige Farbe oder Textur zu verwenden. Trotz einfacher Geometrie
erscheinen damit gerenderte Objekte mit komplexer Oberflächenstruktur. Diese Idee geht auf eine
frühe Arbeit von Robert Cook [Coo84] zurück, der den Ablauf des Shading in einer Baumstruktur
organisiert hat. In diese Bäume an unterschiedlichen Stufen eingreifen zu können, genügt ein rein
knotenbasierter Ansatz nicht. Auf der viel tiefer liegenden Ebene der Rasterung dagegen erzielt man
wie der Name schon sagt, das bessere Shading, die mit den Nachbarpunkten des Gitters abgestimm-
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