Генерация шейдеров GLSL, HLSL, Metal
Доброго дня хабр. Это моя первая статья на хабре, не судите строго.
В данной статье я хотел-бы рассмотреть тему генерации кода шейдеров для разных платформ, а также их оптимизацию.
С каждым годом мобильные устройства становятся все более мощнее, и более доступнее. Сейчас ни кого не удивишь 3d игрой на мобильном, рынок растет, а вместе с ним и растет желание платформ видеть эксклюзивы только в своем маркете. Еще 3–5 лет назад для разработки игр предоставлялось 2 апи, OpenGLES и DirectX, то сегодня их кол-во растет. Apple активно продвигает Metal, а на этой неделе уже вышли development версии android прошивок с поддержкой Vulkan. С ростом числа поддерживаемых в проекте систем рендеринга растет и кол-во платформо-зависимого кода.
Задаваясь вопросом «Как минимизировать кол-во платформо-зависимого кода?» я пришел к выводу что необходимо начать с шейдеров, несмотря на то что синтаксис у современных языков разный (HLSL, GLSL, Metal) выполняют они одни и те же задачи. Первое что приходит в голову — писать на одном синтаксисе и генерировать из него остальные. Идея не нова, данный подход активно используется в Unity, Unreal Engine. В Unity для шейдеров используется NVidia CG подобный синтаксис, CG Toolkit позволяет генерировать код для разных платформ. Но к сожалению NVidia уже достаточно прекратила его поддержку. И как не трудно заметить в профилях нет современных api к примеру Metal, но при этом Unity поддерживает его генерацию. После не продолжительных поисков я нашел фреймворк оптимизирующий glsl es шейдеры с поддержкой генерации Metal, по заверениям автора данной библиотеки она используется в Unity.
Итого получилось что можно писать шейдеры на GLSL и генерировать из них Metal. Но остается еще один синтаксис — HLSL, найти генератор из GLSL в HLSL у меня не получилось, к тому же в HLSL существует понятие точности отсутствующее в GLSL 1.0. Но зато нашелся обратный генератор все у того же автора. За основу в итоге был взят синтаксис HLSL. Осталось определится о формате входных данных, к примеру все у того же CG Toolkit есть возможность загружать fx файлы, содержащие необходимые функции и метаданные с необходимой информацией (настройки pipeline, имена функций для шейдеров). Для парсинга fx файлов было решено использовать проект hlslparser, в данный проект была добавленна возможность понимать метаданные. В итоге собрав все это во едино, была написана не большая библиотека, позволяющая генерировать GLSL, HLSL, Metal шейдеры из входных fx файлов с синтаксисом HLSL.
Ниже следует пример входного fx файла, и что из него сгенерировалось
fx.fx
float4x4 u_MVPMatrix;
struct VS_DEFAULT_OUTPUT
{
float4 position: POSITION;
float2 texture_coord: TEXCOORD0;
float4 color: COLOR0;
};
VS_DEFAULT_OUTPUT vs_default_texture(float4 u_position: POSITION, float2 u_texture_coord: TEXCOORD0, float4 u_color: COLOR0)
{
VS_DEFAULT_OUTPUT Out;
Out.position = mul(u_MVPMatrix, u_position);
Out.texture_coord = u_texture_coord;
Out.color = u_color;
return Out;
}
float4 ps_default_texture(VS_DEFAULT_OUTPUT Out, uniform sampler2D u_texture) : COLOR
{
float4 clr = tex2D(u_texture, Out.texture_coord) * Out.color;
return clr;
}
technique default_texture
{
pass P0
{
vertexShader = vs_default_texture();
pixelShader = ps_default_texture();
depthtest = false;
depthwrite = false;
}
}
Сгенерированный вертексный шейдер для GLES выглядит следующим образом
uniform highp mat4 u_MVPMatrix;
attribute highp vec4 u_position;
attribute highp vec2 u_texture_coord;
attribute highp vec4 u_color;
varying highp vec2 xlv_TEXCOORD0;
varying highp vec4 xlv_COLOR0;
void main ()
{
gl_Position = (u_MVPMatrix * u_position);
xlv_TEXCOORD0 = u_texture_coord;
xlv_COLOR0 = u_color;
}
И соответственно пиксельный шейдер
uniform sampler2D xlu_u_texture;
varying highp vec2 xlv_TEXCOORD0;
varying highp vec4 xlv_COLOR0;
void main ()
{
lowp vec4 tmpvar_1;
tmpvar_1 = texture2D (xlu_u_texture, xlv_TEXCOORD0);
highp vec4 tmpvar_2;
tmpvar_2 = (tmpvar_1 * xlv_COLOR0);
gl_FragColor = tmpvar_2;
}
Ниже следуют сгенерированные шейдеры для Metal
#include
#pragma clang diagnostic ignored "-Wparentheses-equality"
using namespace metal;
struct xlatMtlShaderInput {
float4 u_position [[attribute(0)]];
float2 u_texture_coord [[attribute(1)]];
float4 u_color [[attribute(2)]];
};
struct xlatMtlShaderOutput {
float4 gl_Position [[position]];
float2 xlv_TEXCOORD0;
float4 xlv_COLOR0;
};
struct xlatMtlShaderUniform {
float4x4 u_MVPMatrix;
};
vertex xlatMtlShaderOutput xlatMtlMain (xlatMtlShaderInput _mtl_i [[stage_in]], constant xlatMtlShaderUniform& _mtl_u [[buffer(0)]])
{
xlatMtlShaderOutput _mtl_o;
_mtl_o.gl_Position = (_mtl_u.u_MVPMatrix * _mtl_i.u_position);
_mtl_o.xlv_TEXCOORD0 = _mtl_i.u_texture_coord;
_mtl_o.xlv_COLOR0 = _mtl_i.u_color;
return _mtl_o;
}
#include
#pragma clang diagnostic ignored "-Wparentheses-equality"
using namespace metal;
struct xlatMtlShaderInput {
float2 xlv_TEXCOORD0;
float4 xlv_COLOR0;
};
struct xlatMtlShaderOutput {
half4 gl_FragColor;
};
struct xlatMtlShaderUniform {
};
fragment xlatMtlShaderOutput xlatMtlMain (xlatMtlShaderInput _mtl_i [[stage_in]], constant xlatMtlShaderUniform& _mtl_u [[buffer(0)]]
, texture2d xlu_u_texture [[texture(0)]], sampler _mtlsmp_xlu_u_texture [[sampler(0)]])
{
xlatMtlShaderOutput _mtl_o;
half4 tmpvar_1;
tmpvar_1 = half4(xlu_u_texture.sample(_mtlsmp_xlu_u_texture, (float2)(_mtl_i.xlv_TEXCOORD0)));
_mtl_o.gl_FragColor = ((half4)((float4)tmpvar_1 * _mtl_i.xlv_COLOR0));
return _mtl_o;
}
Из недостатков данного подхода стоит отметить следующие
— Metal шейдеры имеют одинаковые имена функций, что не позволит их нести в одной библиотеке, к чему это может привести кроме как созданию для каждого типа шейдера отдельной библиотеки, я затрудняюсь ответить
— В сгенерированных шейдерах отсутствует работа с последними фичами платформ (geometry shader, instancing)
Из плюсов можно отметить
— Оптимизированные GLES шейдеры, из-за того что компиляция на данной платформе легла на плечи вендоров производителей драйверов, некоторые из них не проводят оптимизацию, из-за чего может страдать производительность
