GLSL

Jako, że podczas prac nad Dessinem miałem okazję zaprzyjaźnić się z GLSL, przygotowałem kilka ciekawych materiałów, które mogą przydać się innym:

While working on Dessin I have had a pleasure of working with GLSL. As a side-effect, I've prepared a few materials which might prove useful to others.

  1. Artykuł dla nauczycieli - *GLSL - łagodne przejście z matematyki do programowania*
  2. Article for teachers - *GLSL - smooth transition from mathematics to programming*
  3. Tablice informatyczne - *OpenGL ES Shading Language 1.0 - podręczna ściąga*
  4. Reference sheet - *OpenGL ES Shading Language 1.0 - handy digest* (available in polish only)
  5. Zestaw przykładowych skryptów i ciekawych stron w internecie - dostępny na końcu tej strony
  6. A collection of example scripts and interesting websites - available at the end of this page

Zacznę od artykułu...

I'll start with the article...


GLSL - łagodne przejście z matematyki do programowania

GLSL - smooth transition from mathematics to programming

Problem pakowania pudełek

Box-packing problem

Problem pakowania pudełek to jeden z najstarszych i najczęściej spotykanych problemów logistycznych. Polega on na tym, że mamy do dyspozycji pewien zestaw prostopadłościennych pudełek o różnych wymiarach. Jedne są mniej więcej sześcienne, inne płaskie, a jeszcze inne długie i wąskie. Mniej więcej jak pudełka po butach lub sprzęcie elektronicznym, które musimy gdzieś magazynować. Taki zestaw pudełek należy zapakować do większego pudełka - na przykład szafy tak, aby pozostało w niej jak najwięcej wolnego miejsca. Można by powiedzieć, że problem pakowania pudełek to taka praktyczna odmiana Tetrisa.

Box-packing problem is one of the oldest and most-often encountered issues in logisticts. It goes like this: you have a set of cuboid boxes of various sizes. Some of them are more like cubes, others are flat and others long and thin. Very much likie shoe boxes or packages left from electronics, which we have to store somewhere. This set of boxes has to be packed into larger box - for example a closet i a way that will leave as much free space as possible. You might say that box-packing problem is a practical variant of Tetris.

Co ciekawe, jak do tej pory nikomu nie udało się napisać programu, który byłby w stanie zapakować w ten sposób więcej niż kilkanaście pudełek. Kiedy ich liczba rośnie, powyżej ok. 20, nawet najlepsze komputery przestają sobie radzić. Najlepsze (i najprostsze) rozwiązanie to sprawdzenie wszystkich możliwych ustawień i wybranie tego, które zajmuje najmniej miejsca.

So far nobody was able to write a program which could pack more than a few dozens of such boxes. When their number grows beyond 20, even the fastest computers start to have trouble. The best (and simpliest) solution is to check every possible combination of positions and to choose the most efficient as an answer.

Kilka dni temu opowiadałem o tym znajomej, która zaraz po usłyszeniu zwróciła uwagę, że bardziej przypomina jej to problem matematyczny niż informatyczny. Miała oczywiście zupełną rację - jednak tylko w teorii. W praktyce, kiedy tylko adept programowania w C++ siada do klawiatury, na jego głowę spada cała masa problemów, które nijak się mają do sedna problemu. Kilka przykładów to:

A few days ago I was telling my friend about it and right after hearing it, she pointed out that it doesn't look like a computer science problem to her - but more like a mathematics. Of course - she was completely right - although only in theory. In practice, whenever an adept of C++ sits down behind a keyboard, an avalanche of obstacles falls on his head. A few examples:

Do tego warto dodać fakt, że środowiska programistyczne, które możemy za darmo pobrać z internetu pisane były z myślą o starszych systemach, takich jak WindowsXP, przez co uruchomienie ich na aktualnym, Windows 8.1, wymaga rozwiązania całego szeregu dodatkowych problemów.

I might add that programming environment that are freely available online were written with older OS-es in mind (like WindowsXP). Running them on current Windows8.1 requires solving a whole new set of additional difficulties.

Problem pakowania pudełek przekształcił się z matematycznego w czysto techniczny, a nie zaczęliśmy go jeszcze rozwiązywać.

Box-packing problem transformed from mathematical into purely technical - and we haven't even started to solve it.

Programowalne karty graficzne

Programmable graphics cards

Zmieńmy temat. Sercem każdego komputera jest procesor oraz pamięć RAM. Nawet najszybsze procesory nie są jednak na tyle szybkie, żeby w sposób ciągły (czyli z prędkością 60 klatek na sekundę) rysować na ekranie złożone obrazy. Właśnie dlatego, od mniej więcej 15 lat prawie każdy komputer (także smartfony) wyposaża się w dodatkowy układ elektroniczny - kartę graficzną. Sztuczka, która leży u podstaw kart graficznych polega na tym, że wypełnianie ekranu kolorami lub kopiowanie obrazów z jednego obszaru pamięci do innego może być zrealizowane przy wykorzystaniu dużych ilości tanich procesorów. Zadanie takich procesorów to obliczenie odcieni pikseli na ekranie, stąd też ich nazwa - jednostki cieniujące (ang. Shader units).

Let's change topic. Heart of every computer is the main processor and the RAM memory. Even the fastest processors aren't fast enough to continously (which means 60 frames per second) fill the computer screen with complex pictures. That's why, since around 15 years almost every computer (also smartphones) are equipped with additional chip - graphical processor. Trick which lies at the foundation of graphical processors is that filling the screen with simple colours or copying images from one part of memory to the other can be accomplished using large amounts of much cheaper and slower processors. Most ofter the task of such processors is to calculate the shade of pixels on the screen - and that's where their name comes from - Shader Units..

Jednostki cieniujące to komputery w komputerach. Nie są szybkie, ani dokładne, ale nadrabiają to swoją ilością. W smartfonach znajdziemy od kilku do kilkudzisięciu takich procesorów. Karty graficzne przeznaczone dla entuzjastów gier mogą mieć ich po kilka tysięcy.

Shader units are computrs within computers. They're not fast nor precise but they make up with their number. In smartphones there are from a few to a few dozens shader units. Graphical cards made for hardcore gamers usually have a few thousands of them.

Jednostki cieniujące pracują trochę inaczej niż główny procesor - każda z nich oblicza kolor pojedynczego piksela. Kiedy skończy, bierze się za kolejny piksel i tak dalej. Cała bateria jednostek cieniujących pracuje równocześnie. Programy, które są na nich uruchamiane mogą do obliczeń wykorzystać dowolne zmienne wysłane w danej klatce przez procesor. Jedynym wynikiem ich pracy jest końcowy kolor piksela.

Shader units work slightly differently than main processor - each one of them is run to calculate the colour of a single pixel. When it's done, it starts to work on the next one, and so on. Whole battery of shader units works simultaneously. Programs which are run on shader units may use any data that was sent by the main processor in the current frame. Only result of their work is the colour of the pixel.

Język, w którym programuje się jednostki cieniujące nosi nazwę GLSL i jest łudząco podobny do C++. Jak się okazuje - jest jego uproszczoną wersją.

Language which is used to program shader units is called GLSL and is suprisingly similar to C++. As it turns out - it's C++'s simplified cousin.

Przykładowy kod wygląda tak:

Simpliest program looks like this:

void main() {
  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 0.0);
}

W programie są zmienne, na przykład gl_FragColor, do której można wpisać kolor piksela, a także funkcje, na przykład vec4, która łączy cztery liczby w wektor 4-elementowy.

In the program, there are variables, such as gl_FragColor, to which you can assign colour of the pixel, and also functions, such as vec4, which combines four numbers into 4-element vector.

W GLSL nie ma struktur danych, szablonów, zarządzania pamięcią, klas, ani obiektów. Wszystkie te elementy są typowe dla dużych programów, a w GLSL się takich nie pisze.

In GLSL there are no data structures, templates, memory management, classes nor objects. All these notions are important only in large programs and in GLSL, you are not expected to write such.

GLSL znajduje się gdzieś pomiędzy znaną z lekcji matematyki algebrą, a C++. Być może ta stosunkowo prosta budowa w połączeniu z wydajnością kart graficznych uczyni z niego dobry materiał na wprowadzenie do programowania. Być może nawet na coś więcej.

GLSL is located somewhere between, known from mathematics, algebra and C++. Maybe this relatively simple structure together with speed of graphics cards could make a nice introduction to programming. Maybe something more.

W praktyce jednak, jak zwykle, pojawiają się przeszkody. Do uruchomienia jakiegokolwiek programu w GLSL potrzebny jest inny program, który zostanie uruchomiony na głównym procesorze. Program ten musi wyświetlić okno, wysłać nasz kod GLSL do karty graficznej, oraz zadbać o wyświetlanie tego co karta wygeneruje.

In practice however, as usually, there are difficulties. In order to run any program written in GLSL we need another program, which will run on the main processor. This main program has to display a window, send GLSL code to grahics card and display resulting images generated by graphics card.

W zasadzie istnieje kilka programów, które właśnie coś takiego robią, ale powtarza się tu sytuacja ze środowisk programistycznych C++ - konieczna jest instalacja programów z którymi coś może pójść nie tak. Do tego dochodzą ich specyficzne zachowania, do których również trzeba będzie przywyknąć. Tym razem nie będziemy godzić się na kompromisy i znajdziemy lepsze rozwiązanie.

Actually there are a few programs which do exactly this, but the situation from C++ starts to repeat. We would need to install more programs, which will have their own peculiar problems and which will give us even more trouble. This time we won't go for compromise. Let's find a better solution.

WebGL

Chyba najbardziej znanym i najbliższym nam obszarem trwającej wojny są terytoria przeglądarek internetowych. Od jakiegoś czasu zaczęły one niemal zastępować systemy operacyjne - ogląda się w nich filmy, słucha muzyki, prowadzi obliczenia w arkuszach kalkulacyjnych, a także gra w trójwymiarowe gry.

Probably most widely known and the closest to you teritory of ongoing war - are web browsers. Some time ago they started to nearly replace operating systems. Using browser you may watch a movie, listen to music, do calculations in a spreadsheet or (since recently) play 3d games.

Ten ostatni element został wprowadzony dość niedawno i szybko stał się niezwykle popularny - głównie ze względu ogromnych pieniędzy jakie przelewają się przez rynek gier.

This last piece was introduced very recently and quickly gained popularity - mainly because of the huge amounts of money flowing through game market.

WebGL jest zestawem funkcji, który dostępny jest w większości nowych przeglądarek, a służy do wydawania poleceń karcie graficznej. Jego obecność można sprawdzić na stronie get.webgl.org.

WebGL is a set of functions, available in most of the new web browsers. It can be used to control graphics card. You can check its presence on a website get.webgl.org.

Przy wykorzystaniu funkcji WebGL, dowolna strona może korzystać z dobrodziejstw karty graficznej. Wygląda na to, że zneleźliśmy odpowiedź na wcześniejsze pytanie. Program-gospodarz, który potrzebny jest do pisania programów w GLSL może być zwyczajną stroną internetową.

Using WebGL functions, any website can take advantage of graphics card. It looks like we have found an answer to the earlier question. Host-program, which is needed to write programs in GLSL can be a normal website.

Wciąż będziemy potrzebować aktualnej przeglądarki, ale do programowania wystarczy nam wejść na odpowiednią stronę, na przykład shadertoy.com.

We are still going to need a recent browser, but in order to program it will be enough to go certain website, for example shadertoy.com.

Strona shadertoy.com zawiera duży zestaw programów napisanych w GLSL oraz zintegrowany edytor. Zanim rozpocznie się kodowanie, warto przejrzeć napisane przez innych programy. Jeśli ich kod wyda się na początku zbyt skompilkowany, nie ma co panikować - weterani GLSL znają sporo sztuczek oraz ciekawych funkcji, które staną się jasne w miarę nauki języka. No i, rzecz jasna dobre rozwiązania należy powtarzać - wszystkie programy na Shadertoy mają załączony kod z możliwością jego kopiowania.

Website shadertoy.com contains a large library of programs written in GLSL and an integrated editor. Before you start writing any code, it's worth taking a look at programs written by others. If their code looks too complicated at first, don't panic - veterans of GLSL have some tricks which you'll understand while learning the language. Also, good ideas should be shared - all programs on Shadertoy have their source code attached, including ability to copy and paste.

GLSL

Jako dodatek do tego artykułu załączony jest szybki przewodnik po języku GLSL. Zawiera prawie wszystko czego potrzeba do rozpoczęcia programowania - opis składni, tabele z funkcjami oraz dostępnymi typami danych.

As an addition to this article there is a quick digest of GLSL syntax attached. It contains almost everything you need to know in order to start programming in GLSL - syntax description, tables with functions and available data types.

W razie komunikatów z błędami, należy je skopiować do wyszukiwarki (pomijając nazwy zmiennych i numery linijek). Ktoś, gdzieś, pewnie miał już podobny problem - rozwiązanie jest więc pewnie na jakimś forum.

In the case of error messags - copy them to the browser (skipping variable names and line numbers). Someone, somewhere probably had a similar problem - the solution should be on some forum, somewhere.

Oto kilka przykładowych kodów - od czgoś trzeba przecież zacząć:

You need something to start from - here are o few examples:

Jednolity kolor

Solid colour

Kolejne wartości w wektorze gl_FragColor odpowiadają poszczególnym składowym koloru: czerwonej, zielonej i niebieskiej. Ostatni element to tzw. współczynnik krycia. Ogólnie pozwala tworzyć animacje, które są miejscami przeźroczyste, ale Shadertoy z tej funkcji nie korzysta.

Subsequent values in a vector gl_FragColor represent colour components: red, green and blue. Last element is called alpha-value. It can make some parts of the image transparent. Shadertoy ignores alpha value - only first three are important.

void main() {
  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}

Płynne przejście kolorów

Smooth colour transition

Korzystając ze zmiennych gl_FragCoord (współrzędne aktualnego piksela) oraz iResolution (rozmiary okienka WebGL) można zróżnicować kolor dla różnych pikseli tworząc tym samym łagodne przejście kolorów:

Using variables such as gl_FragCoord (containing coordinates of current pixel) and iResolution (size of WebGL window) you might vary the colour of pixels creating a smooth transition:

void main() {
  vec2 p = gl_FragCoord.xy / iResolution.xy;
  gl_FragColor = vec4(p, 0.0, 1.0);
}

Tekstura

Texture

Aby dodać teksturę, w jednym z czarnych okienek zatytułowanych iChannel0..3 należy wybrać obrazek lub film. Od tej pory możemy korzystać z funkcji texture2D żeby pobierać z niego wartości kolorów:

In order to add a texture, click one of black rectangles labelled iChannel0..3 and choose image or movie. From now on you may use function texture2D to retrieve colour values from it:

void main() {
  vec2 p = gl_FragCoord.xy / iResolution.xy;
  vec4 t = texture2D(iChannel0, p);
  gl_FragColor = vec4(p, 0.0, 1.0) * t;
}

Kółko

Circle

void main() {
  vec2 p = gl_FragCoord.xy / iResolution.xy;
  vec4 t = texture2D(iChannel0, p);
  gl_FragColor = vec4(p, 0.0, 1.0) * t;

  vec2 s = vec2(150.0, 150.0);
  float d = distance(gl_FragCoord.xy, s);
  float r = 100.0;
  gl_FragColor += clamp(r - d, 0.0, 1.1);
}

Muzyka w karcie graficznej

Music on the graphics card

Naprawdę ciekawie robi się kiedy grafikę połączy się z muzyką. W iChannel1 jako teksturę wybierz utwór muzyczny (powinny być widoczne na dole listy). Wybierając go dostaniesz do dyspozycji nową teksturę - obrazek o wysokości 2 i szerokości kilkuset pikseli. Górny wiersz zawiera falę akustyczną odtwarzanej muzyki, a dolny, jej widmo. Wartości z tej tekstury możesz wykorzystać do sterowania grafiką:

It gets really interesting when you connect graphics with music. Click iChannel1 and as a texture select a musical piece (they should be at the bottom of the list). This way you'll get new texture - picture of height 2 and width of a few hundred pixels. Upper row contains acoustic wave of the played music. Bottom row contains its spectrum. You can use values from this texture to drive the parameters of graphics:

void main() {
  vec2 p = gl_FragCoord.xy / iResolution.xy;
  vec4 t = texture2D(iChannel0, p);
  gl_FragColor = vec4(p, 0.0, 1.0) * t;

  vec2 s = vec2(150.0, 150.0);
  float d = distance(gl_FragCoord.xy, s);
  float r = 100.0 * texture2D(iChannel1, vec2(0.5, 0.0)).x;
  gl_FragColor += clamp(r - d, 0.0, 1.1);
}

Widmo i fala

Spectrum and wave

Różnicę między widmem i falą oraz ich właściwości łatwo zobaczyć rysując je obok siebie:

The difference between spectrum and wave can be best seen when they are next to each other:

void main() {
  vec2 p = gl_FragCoord.xy / iResolution.xy;
  vec4 t = texture2D(iChannel0, p);
  gl_FragColor = vec4(p, 0.0, 1.0) * t;

  float d = gl_FragCoord.y;
  float r = 50.0 * texture2D(iChannel1, vec2(p.x, 0.0)).x;
  float b = 50.0 * texture2D(iChannel1, vec2(p.x, 1.0)).x;
  gl_FragColor.r += clamp(r - d, 0.0, 1.0);
  gl_FragColor.b += clamp(b + d - iResolution.y, 0.0, 1.0);
}

Pakowanie pudełek

Box-packing

GLSL jest ciekawym językiem. Kiedy obejrzy się wizualizacje, które z jego pomocą da się osiągnąć, robi wrażenie. Stosunkowa prosta budowa oraz podobieństwo do C++ usuwa wiele problemów i czyni go łatwiejszym do ogarnięia, zwłaszcza na początku nauki. Obecność narzędzi takich jak Shadertoy pozwala ominąć konieczność instalacji jakichkolwiek dodatkowych programów, co jeszcze bardziej przyspiesza start.

GLSL is an interesting language. After seeing some of the visualisations which it can achieve, it gives a thrill. Relative simplicity and resemblance of C++ removes most of the problems and make it easier to grasp, especially at the beginning. Presence of tools such as Shadertoy gives a way to circumvent typical difficulties of installing new software and speeds up start even more.

Ale nie ma róży bez kolców. GLSL pozwala liczyć ciekawe rzeczy, ale jego zastosowanie ogranicza się obliczeń numerycznych oraz kolorowania ekranu - próba rozwiązania w nim najprostszego zadania logicznego - posortowania listy liczb czy też wybrania najmniejszego elementu z tablicy są co prawda możliwe, ale wiążą się z uciążliwym i nadmiarowym kodem. Pomimo swojej wydajności, z pewnością nie jest to język, w którym moglibyśmy pakować pudełka.

There's no rose without a thorn. GLSL allows only one type of calculation - numerical. Trying to solve simpliest algorithmic task - such as sorting a list of numbers or choosing the smallest element in an array are theoretically possible but require troublesome and excessive programming. Despite it's performance, it certainly isn't a language in which we might pack the boxes.


Ściąga GLSL

GLSL - handy digest

Możesz ją pobrać stąd: [mrogalski.eu/glsl/open_gl_sciaga.pdf](open_gl_sciaga.pdf).

It's available here: [mrogalski.eu/glsl/open_gl_sciaga.pdf](open_gl_sciaga.pdf). It's polish translation of an excerpt from [OpenGL ES 2.0 API Quick Reference Card](http://www.khronos.org/opengles/sdk/docs/reference_cards/OpenGL-ES-2_0-Reference-card.pdf).


Odnośniki

Links

Środowiska

Environments

Dema

Demos

Biblioteki

Libraries

Share:

Podaj dalej:

Tweet