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By Davide Luzzu – Webcast by Giuseppe Maggiore

Abstract

Uno dei problemi più pressanti, nella creazione di mondi virtuali 3D, è rendere realistica la percezione del mondo. I dettagli stanno alla base di tutto. Più sono curati i dettagli più l’utente si troverà a proprio agio nell’ambiente 3D. Per meglio comprendere vediamo un esempio. Ammettiamo che si debba rappresentare un oggetto radioattivo. Come faremo capire all’utente che esso è radioattivo? Lo coloriamo di verde? Non basterebbe. Aggiungiamo una luce all’oggetto per indicare che esso reagisce in modo “strano” al contatto con l’aria circostante? Può andare, ma si può fare di più. Dovremo, in questo caso, creare una vera e propria fluorescenza dell’oggetto radioattivo.

Esistono svariati modi per creare una fluorescenza, ma, dal momento che si tratta di un dettaglio, non potrà avere un ruolo predominante nella scena 3D, cioè non può occupare troppe risorse.

Si presenta dunque la necessità di possedere uno strumento che esegua del codice a basso livello, (cioè che ci permetta un grande risparmio di memoria e risorse) chiamato genericamente Shader.

Potremmo dire che uno Shader è quella parte di codice che valuta come gli oggetti visuali devono rispondere alle luci; in altre parole con uno Shader determiniamo la distribuzione dei colori sugli oggetti visuali, in modo tale da ottenere effetti di tridimensionalità, fluorescenza, luminescenza ecc… Per meglio comprendere l’importanza degli Shader proviamo ad immaginare un mondo virtuale in cui venga rappresentata una tavola imbandita con ogni sorta di cibi, insomma un ambiente 3D abbastanza complesso. Se in tale ambiente non avessimo nessuna luce, niente ci vieterebbe di pensare non solo che non c’è tridimensionalità, ma che addirittura si tratta di un mondo virtuale vuoto; questo perché in assenza di luce lo percepiamo completamente nero.

Al contrario se avessimo una luce intensissima lo percepiremo completamente bianco.

La soluzione dunque risiede nel corretto bilanciamento delle luci e delle ombre.

Quello che presentiamo in questo articolo è un Pixel Shader HLSL ( High Level Shading Language ), e ci servirà appunto per il controllo di alcuni effetti di luce, applicati ad una texture.

Uno Shader in HLSL è formato da una technique (tecnica), che a sua volta è formato da vari pass (passi). Nel pass vengono specificate quali funzioni devono essere utilizzate, e a quale tipo di shader si intende fare riferimento (Pixel/Vertex Shader).

Figura 1 Screenshot dell’applicazione.

Struttura di un nuovo progetto

Ogni progetto XNA 3.0 possiede una sotto-struttura logica (cioè dove mettere i dati), chiamata Content, nella quale dovremo copiare il file (*.fx) che contiene il codice dello Shader. La copia può avvenire attraverso una semplice operazione di dragging.

E’ importante inserire i dati nella struttura apposita Content, poiché essa contiene delle References statiche alle impostazioni di libreria, ed esse ci consentiranno, senza alcuno sforzo, il caricamento dei dati (audio, effetti, textures…), utili al nostro progetto.

Figura 1 References statiche contenute nella struttura logica Content.

L’approccio che seguiremo per la definizione del progetto è bottom-up, cioè definiremo prima lo shader, poi come si inserisce nel contesto dell’applicazione, ed infine come si controlla e si visualizza con un esempio.

L’idea è quella di creare un serpente dal colore fluorescente, la cui forma è definita solo in alcuni punti, detti punti di controllo.

Figura 2 Esempio di Punti di Controllo nel serpente. I punti, in questo caso, sono 13 e sono inseriti nel range [0,1].

Tali punti di controllo verranno definiti nel codice. Lo Shader dovrà contenere una funzione generica, che imposti una texture per alcuni punti di controllo definiti altrove. L’intera forma del serpente è derivata dall’interpolazione delle posizioni dei punti di controllo.

Il nostro primo obbiettivo è dunque creare uno Shader e copiarlo nella struttura logica Content.

Info aggiuntive

Per quanto riguarda luci e ombre, è necessario precisare che esistono due tipi di ombre:

ombre sugli oggetti: danno la sensazione di tridimensionalità ( una sfera non si distinguerebbe da una semplice circonferenza se non avesse una ombreggiatura )
ombre riportate: rappresentano l’interazione tra gli oggetti visuali, e vengono chiamate ombre volumetriche.

Per quanto riguarda gli Shader, abbiamo fatto riferimento a due diversi tipi:

Pixel Shader (o Fragment Shader ) valuta l’interazione della luce con ogni singolo pixel che colora l’oggetto visuale, ed ha un costo computazionale particolarmente elevato. Tuttavia tale shader ha un vantaggio intrinseco. Il pixel shader è legato alla risoluzione con cui si sta visualizzando l’applicazione; più la densità di pixel nell’applicazione è elevata più lo shader è preciso e più il costo computazionale aumenta. Al contrario è banale diminuire la risoluzione, e dunque il peso che tale shader possiede nell’esecuzione.

Vertex Shader valuta l’intensità di luce su ogni vertice delle mesh dell’oggetto visuale, per cui il colore risultante sarà dato da:

Media dei colori tra:

Colore della mesh (risultante dall’interpolazione dei colori dei tre vertici)
Colore della luce (diffuse color)

Moltiplicazione del colore medio per l’intensità di luce sulla mesh

Uno Shader HLSL permette di scrivere complessi calcoli grafici che possono essere eseguiti con grande rapidità dalla GPU, poiché sono istruzioni di basso livello.

Queste istruzioni vengono impartite direttamente alla scheda video, pertanto è necessario assicurarsi che essa supporti tali istruzioni.

Uno Shader HLSL, fortunatamente, ha una sintassi C-like style, ed è abbastanza semplice da comprendere; le operazioni che supporta sono le comuni operazioni aritmetiche, più gran parte delle comuni funzioni trigonometriche. Inoltre, per le espressioni di controllo, vale la stessa sintassi del C; per i booleani si usano gli stessi operatori: &&, ||, , ==, !=, =.

La versione dello Shader utilizzata per questo esempio è la 2_0, che permette solitamente una maggiore ottimizzazione del codice nella traduzione in assembly. Continue reading →