تظليل

تُشغَّل مُظلِّلات الرؤوس مرة واحدة لكل رأس ثلاثي الأبعاد مُعطى لمعالج الرسومات. والغرض منها هو تحويل موضع كل رأس ثلاثي الأبعاد في الفضاء الافتراضي إلى الإحداثيات ثنائية الأبعاد التي يظهر بها على الشاشة (بالإضافة إلى قيمة العمق لمخزن Z). ^{[ 7 ]} تستطيع مُظلِّلات الرؤوس معالجة خصائص مثل الموضع واللون وإحداثيات النسيج، ولكنها لا تستطيع إنشاء رؤوس جديدة. ينتقل مُخرَج مُظلِّل الرؤوس إلى المرحلة التالية في مسار المعالجة، وهي إما مُظلِّل الهندسة (إن وُجد)، أو مُرَسِّم الصور النقطية . تُتيح مُظلِّلات الرؤوس تحكمًا دقيقًا في تفاصيل الموضع والحركة والإضاءة واللون في أي مشهد يتضمن نماذج ثلاثية الأبعاد .

تم تقديم مُظلِّلات الهندسة في Direct3D 10 وOpenGL 3.2؛ وكانت متاحة سابقًا في OpenGL 2.0 والإصدارات الأحدث باستخدام الإضافات. ^{[ 8 ]} يمكن لهذا النوع من المُظلِّلات توليد عناصر رسومية أولية جديدة ، مثل النقاط والخطوط والمثلثات، من تلك العناصر الأولية التي أُرسلت إلى بداية مسار معالجة الرسومات. ^{[ 9 ]}

تُنفَّذ برامج تظليل الهندسة بعد برامج تظليل الرؤوس. وتستقبل هذه البرامج شكلاً هندسياً كاملاً كمدخل، مع إمكانية تضمين معلومات التجاور. على سبيل المثال، عند معالجة المثلثات، تُعتبر الرؤوس الثلاثة مدخلاً لبرنامج تظليل الهندسة. بعد ذلك، يُمكن لبرنامج التظليل إخراج صفر أو أكثر من الأشكال الهندسية، والتي تُحوَّل إلى صور نقطية، ثم تُمرَّر أجزاؤها في النهاية إلى برنامج تظليل البكسل .

تشمل الاستخدامات الشائعة لمُظلِّل الهندسة توليد صور نقطية، وتجزئة الأشكال الهندسية ، وبثق حجم الظل ، والرسم أحادي المرور على خريطة مكعبة . ومن الأمثلة العملية الشائعة لفوائد مُظلِّلات الهندسة التعديل التلقائي لتعقيد الشبكة. حيث تُمرَّر سلسلة من شرائط الخطوط التي تُمثِّل نقاط التحكم لمنحنى إلى مُظلِّل الهندسة، وبناءً على التعقيد المطلوب، يُمكن للمُظلِّل توليد خطوط إضافية تلقائيًا، يُوفِّر كلٌّ منها تقريبًا أفضل للمنحنى.

تم عرض نموذج تنين ستانفورد باستخدام تظليل الأجزاء مع مخرجات مختلفة: أبيض صلب، نسيج مطبق، تظليل قائم على الفيزياء.

تقوم مُظلِّلات الأجزاء، والمعروفة أيضًا باسم مُظلِّلات البكسل ، بحساب اللون وخصائص أخرى لكل "جزء": وهي وحدة عمل عرض تؤثر على بكسل إخراج واحد على الأكثر . تُخرج أبسط أنواع مُظلِّلات البكسل بكسلًا واحدًا من الشاشة كقيمة لونية؛ كما توجد مُظلِّلات أكثر تعقيدًا ذات مُدخلات/مُخرجات متعددة. ^{[ 10 ]} تتراوح مُظلِّلات البكسل من إخراج نفس اللون دائمًا، إلى تطبيق قيمة إضاءة ، إلى رسم خرائط النتوءات ، والظلال ، واللمعان ، والشفافية ، وغيرها من الظواهر. يُمكنها تغيير عمق الجزء ( لتخزين العمق )، أو إخراج أكثر من لون واحد إذا كانت هناك أهداف عرض متعددة نشطة. في الرسومات ثلاثية الأبعاد، لا يُمكن لمُظلِّل البكسل وحده إنتاج بعض أنواع التأثيرات المُعقدة لأنه يعمل فقط على جزء واحد، دون معرفة هندسة المشهد (أي بيانات الرؤوس). ومع ذلك، فإن مُظلِّلات البكسل لديها معرفة بإحداثيات الشاشة التي يتم رسمها، ويمكنها أخذ عينات من الشاشة والبكسلات المُجاورة إذا تم تمرير محتويات الشاشة بأكملها كنسيج إلى المُظلِّل. تُمكّن هذه التقنية من تطبيق مجموعة واسعة من تأثيرات المعالجة اللاحقة ثنائية الأبعاد ، مثل التمويه أو اكتشاف/تحسين الحواف في الرسوم المتحركة . كما يُمكن تطبيق مُظلِّلات البكسل في المراحل الوسيطة على أي صور ثنائية الأبعاد - سواء كانت صورًا متحركة أو نسيجًا - ضمن مسار المعالجة ، بينما تتطلب مُظلِّلات الرؤوس دائمًا مشهدًا ثلاثي الأبعاد. على سبيل المثال، يُعد مُظلِّل البكسل النوع الوحيد من المُظلِّلات الذي يُمكنه العمل كمعالج لاحق أو مُرشِّح لتدفق الفيديو بعد تحويله إلى صورة نقطية .

قدّمت OpenGL 4.0 وDirect3D 11 فئة تظليل جديدة تُسمى مُظلل التجزئة. أضافت هذه الفئة مرحلتين جديدتين للتظليل إلى النموذج التقليدي: مُظللات التحكم في التجزئة (المعروفة أيضًا باسم مُظللات الهيكل) ومُظللات تقييم التجزئة (المعروفة أيضًا باسم مُظللات النطاق )، والتي تسمح معًا بتقسيم الشبكات الأبسط إلى شبكات أدق أثناء التشغيل وفقًا لدالة رياضية. يمكن ربط هذه الدالة بمجموعة متنوعة من المتغيرات، أبرزها المسافة من كاميرا العرض للسماح بتغيير مستوى التفاصيل بشكل فعّال . يتيح ذلك للأجسام القريبة من الكاميرا الحصول على تفاصيل دقيقة، بينما يمكن للأجسام الأبعد أن تحتوي على شبكات أكثر خشونة، مع الحفاظ على جودة مماثلة. كما يُمكن لهذه التقنية تقليل عرض النطاق الترددي المطلوب للشبكة بشكل كبير من خلال السماح بتحسين الشبكات داخل وحدات التظليل بدلاً من تقليل دقة الشبكات المعقدة جدًا من الذاكرة. يمكن لبعض الخوارزميات زيادة دقة أي شبكة عشوائية، بينما تسمح خوارزميات أخرى بـ "التلميح" في الشبكات لتحديد الرؤوس والحواف الأكثر تميزًا.

في عام 2017 تقريبًا، أضافت بنية AMD Vega الدقيقة دعمًا لمرحلة تظليل جديدة - تظليلات بدائية - تشبه إلى حد ما تظليلات الحوسبة مع إمكانية الوصول إلى البيانات اللازمة لمعالجة الهندسة. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

قدمت شركة إنفيديا تقنيات تظليل الشبكة وتظليل المهام مع معمارية تورينج الدقيقة في عام 2018، وهي مصممة على غرار تظليل الحوسبة. ^{[ 13 ] [ 14 ]} تُعد معمارية تورينج من إنفيديا أول معمارية دقيقة لوحدة معالجة الرسومات في العالم تدعم تظليل الشبكة من خلال واجهة برمجة التطبيقات DirectX 12 Ultimate، وذلك قبل عدة أشهر من إطلاق سلسلة Ampere RTX 30. ^{[ 15 ]}

في عام 2020، أطلقت شركتا AMD وNvidia معماريتي RDNA 2 و Ampere الدقيقتين، واللتان تدعمان تظليل الشبكة عبر DirectX 12 Ultimate . ^{[ 16 ]} تُمكّن هذه المُظللات الشبكية وحدة معالجة الرسومات من التعامل مع خوارزميات أكثر تعقيدًا، مما يُخفف العبء عن وحدة المعالجة المركزية ويُقلل من حجم العمل المُلقى على وحدة معالجة الرسومات، وفي عمليات العرض المكثفة للخوارزميات، تُزيد من معدل الإطارات أو عدد المثلثات في المشهد بمقدار عشرة أضعاف. ^{[ 17 ]} أعلنت Intel أن وحدات معالجة الرسومات Intel Arc Alchemist، التي ستُطرح في الربع الأول من عام 2022، ستدعم تظليل الشبكة. ^{[ 18 ]}

تدعم مايكروسوفت تقنية تتبع الأشعة عبر DirectX Raytracing ، وتدعمها مجموعة كرونوس عبر Vulkan و GLSL و SPIR-V ، ^{[ 19 ]} وتدعمها آبل عبر Metal . أطلقت شركتا إنفيديا وإيه إم دي على أجزاء الأجهزة المسؤولة عن تنفيذ هذه التقنية اسم "نوى تتبع الأشعة". ^{[ 20 ]}

تشير مُظلِّلات الحوسبة إلى نوى حسابية مكتوبة بلغة تظليل . تتشارك هذه المُظلِّلات وحدات التنفيذ مع مُظلِّلات الرؤوس ومُظلِّلات البكسل على وحدات معالجة الرسومات، وهو مثال على تشغيل GPGPU . يمكن استخدامها في مسارات معالجة الرسومات لأغراض مثل إضافة مراحل في الرسوم المتحركة أو خوارزميات الإضاءة (مثل العرض الأمامي المُجزَّأ )، أو لأغراض أخرى غير متعلقة بالرسومات. تسمح بعض واجهات برمجة تطبيقات العرض لمُظلِّلات الحوسبة بمشاركة موارد البيانات بسهولة مع مسار معالجة الرسومات، مما يُسهِّل دمج الرسومات والحوسبة.

تُعدّ مُظلِّلات الموترات برامج مُسرِّعة تُعنى بعمليات المصفوفات على المصفوفات الكبيرة ، وهو نوع من العمليات شائع الاستخدام في الذكاء الاصطناعي القائم على الشبكات العصبية . يُمكن تشغيلها على وحدات المعالجة العصبية (NPUs) أو وحدات معالجة الرسومات (GPUs) . تدعم مايكروسوفت مُظلِّلات الموترات عبر DirectML ، ومجموعة كرونوس عبر OpenVX ، وآبل عبر Core ML ، وجوجل عبر TensorFlow ، ومؤسسة لينكس عبر ONNX . ^{[ 25 ]} أطلقت شركتا إنفيديا وإيه إم دي على أجزاء الأجهزة المسؤولة عن تنفيذ هذه المُظلِّلات اسم "نوى الموترات". ^{[ 26 ]}

تتضمن منصات تطوير ألعاب الفيديو الحديثة ، مثل Unity و Unreal Engine و Godot، بشكل متزايد محررات قائمة على العقد ، تُتيح إنشاء تظليلات دون الحاجة إلى كتابة أي كود برمجي. بدلاً من ذلك، يُعرض على المستخدم رسم بياني موجه من العقد المتصلة، يسمح له بتوجيه مختلف الخامات والخرائط والوظائف الرياضية إلى قيم إخراجية مثل لون الانتشار، ولون الانعكاس وشدته، والخشونة/المعدنية، والارتفاع، والعمودي، وما إلى ذلك. ثم يُجمّع الرسم البياني في مُظلل.

في سياقات تطوير الويب، ظهرت أيضًا أدوات التظليل المرئية والقائمة على المكونات. توفر منصات مثل shaders.com تركيبًا قائمًا على المكونات للتظليل من أجل دمجه في أطر عمل الواجهة الأمامية بما في ذلك Vue و React و Svelte ، بينما تركز أدوات مثل Shadertoy وFragCoord.xyz على تأليف التظليل منخفض المستوى وتصحيح الأخطاء.