Uma Arquitetura de Suporte a Interações 3D ... - DCA - Unicamp

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36 Revisão bibliográfica Fig. 2.5: Diagrama do ambiente geral de execução de um modificador de fragmentos. 2.4.2 Processador de fragmentos O processador de fragmentos é responsável pela execução do shader de fragmentos sobre cada fragmento produzido durante a etapa de rasterização. Embora o processador de fragmentos seja algumas vezes chamado simplesmente de processador de pixels, um fragmento não é necessariamente um pixel, mas um ponto em coordenadas da tela produzido pelo rasterizador a partir da amostragem das primitivas. Desse modo, o uso de multi-amostragem pode produzir vários fragmentos para cada pixel, e a cor final do pixel poder ser a combinação das cores desses fragmentos. Cada fragmento contém atributos associados aos vértices da saída do processador de vértices, tais como valores de cores, coordenadas de textura e atributos definidos pela aplicação. Esses atributos são interpolados a partir dos vértices segundo o modelo de interpolação escolhido. O processador de fragmentos é responsável pela determinação da cor final do fragmento e, opcionalmente, seu valor de profundidade. As tarefas do fluxo de renderização subseqüentes ao processadores de fragmentos são as mesmas do fluxo de função fixa. Quando um processador de fragmentos é utilizado, as etapas de amostragem e combinação de texturas do fluxo de função fixa são desabilitadas. As demais funcionalidades permanecem habilitadas, tais como uso do modelo de interpolação (flat ou smooth), teste de opacidade, teste de profundidade, teste de estêncil, combinação de valores de fragmentos no frame buffer, dithering e cálculo de neblina. O ambiente de execução de um shader de fragmentos é aquele mostrado na figura 2.5. Assim como no ambiente utilizado pelos shaders de vértices, shaders de fragmentos trabalham com um conjunto de registradores de entrada, saída, registradores temporários e constantes. O ambiente de execução em GPUs atuais também fornece um registrador de contagem de laços, um registrador de
2.4 Arquitetura das GPUs programáveis 37 predicado usado em comparações, um registrador contendo a posição do pixel correspondente em coordenadas da tela, e um registrador que informa a área da face que está sendo processada. Entretanto, atualmente nenhum ambiente de execução de modificadores de fragmentos utiliza registradores de endereçamento. Os registradores de entrada contém os valores interpolados de saída do shader de vértices, tais como os valores de cor dos fragmentos ou coordenadas de textura, e só possuem permissão de leitura pelo modificador. Utilizando instruções especiais, o shader de fragmentos pode amostrar valores filtrados de textura usando estágios de amostragem de texturas. O shader pode tanto usar as coordenadas interpoladas de textura passadas em um dos registradores de entrada como também as coordenadas de textura calculadas diretamente no modificador para amostrar uma textura. Usando os valores dos registradores de entrada e os valores amostrados de texturas, o shader produz seus resultados e armazena-os em registradores de saída. Como no shader de vértices, esses registradores de saída possuem uma semântica pré-definida. A saída inclui obrigatori- amente o valor final da cor do fragmento que será utilizado para formar a cor do pixel no frame buffer e, opcionalmente, o valor de profundidade que será utilizado no teste de profundidade. As atuais GPUs permitem a escrita desses valores em vários alvos de renderização ao mesmo tempo, através do uso de vários registradores de saída de cor e valor de profundidade no shader de fragmentos. 2.4.3 A GPU como um processador de propósito geral Com o aumento do número de instruções aritméticas e registradores disponíveis nos processadores de vértices e fragmentos, e particularmente com o advento de instruções de fluxo de controle dinâmico e capacidade de acessar e escrever em texturas com formato em ponto flutuante, as atuais GPUs pro- gramáveis têm possibilitado a realização de processamento paralelo que extrapola aquele destinado à síntese de imagens em tempo real [Luebke et al., 2004a]. Tão importante quanto o aprimoramento do conjunto de instruções, as atuais GPUs possuem poder computacional maior do que as CPUs para processamento de fluxos de dados e, como já discutido na seção 1.1, fornecem acesso mais eficiente a dados armazenados em memória de vídeo local. A arquitetura de uma GPU se assemelha ao modelo de um processador de fluxo (stream proces- sor). Nessa arquitetura, cada elemento de um fluxo de dados é processado de forma paralela por uma mesma função, chamada kernel, e os resultados são armazenados em um fluxo de saída, normalmente (mas não necessariamente) com um mapeamento biunívoco entre os elementos de entrada e saída. O processamento de cada elemento do fluxo independe do processamento dos demais elementos, possibilitando assim a criação de diversos fluxos de processamento paralelo. De fato, as atuais GPUs são compostas de centenas de fluxos simultâneos de processamento de fragmentos. Texturas podem ser consideradas como fluxo de dados de entrada e saída dispostos em matrizes 2D, nas quais os
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