Шейдеры в компьютерной графике: типы, классификация, применение

Для кого эта статья:

• начинающие и опытные разработчики игр
• графические дизайнеры и 3D-художники

• студенты и обучающиеся в области компьютерной графики и дизайна

  Погружение в мир шейдеров напоминает изучение секретного языка, на котором говорит современная графика 🎨. От мерцающих отражений в лужах до реалистичных кожных покровов в AAA-играх – всё это заслуга невидимых героев компьютерной графики. Независимо от того, делаете ли вы первые шаги в разработке игр или уже создали несколько визуально впечатляющих проектов, понимание различных типов шейдеров и их иерархии – фундаментальный навык, открывающий доступ к безграничным возможностям создания виртуальных миров.

Если вас завораживает магия визуальных эффектов и вы мечтаете создавать впечатляющие графические проекты, обратите внимание на программу Профессия графический дизайнер от Skypro. Курс не только даст вам фундаментальные знания о композиции и цвете, но и научит работать с современными инструментами визуализации. Понимание принципов шейдеров и компьютерной графики станет вашим конкурентным преимуществом на рынке дизайна, открывая двери в игровую индустрию и 3D-моделирование.

Что такое шейдеры и их базовая классификация

Шейдеры – это специализированные программы, выполняющиеся на графическом процессоре (GPU) и определяющие, как будут отображаться объекты в трёхмерном пространстве. По сути, это математические инструкции, указывающие компьютеру, как визуализировать каждый пиксель или вершину модели с учётом освещения, текстур, теней и других параметров.

Базовая классификация шейдеров обычно начинается с разделения их по этапам графического конвейера, на которых они работают:

• Вершинные шейдеры (Vertex Shaders) — обрабатывают отдельные вершины 3D-модели, выполняя трансформации положения, ориентации и проекции
• Пиксельные шейдеры (Pixel/Fragment Shaders) — определяют цвет каждого пикселя с учётом освещения, текстур и других свойств материала
• Геометрические шейдеры (Geometry Shaders) — манипулируют целыми примитивами (треугольниками, линиями), позволяя создавать или удалять геометрию
• Тесселяционные шейдеры (Tessellation Shaders) — разбивают большие полигоны на более мелкие для повышения детализации
• Вычислительные шейдеры (Compute Shaders) — выполняют неграфические вычисления, используя мощность GPU

Другой подход к классификации — по назначению или эффекту, который они создают:

Понимание этой базовой классификации даёт общую картину возможностей шейдеров, но для глубокого погружения в тему необходимо рассмотреть каждую категорию подробнее.

Основные виды шейдеров по месту выполнения

Александр Петров, технический художник

Однажды я работал над проектом маленькой инди-игры, где требовалось создать эффект подводного мира с минимальными затратами ресурсов. Бюджет был скромным, а железо, на котором должна была работать игра — не самым мощным. Стандартное решение с симуляцией полноценной водной физики отпадало сразу.

Я решил использовать вершинный шейдер для создания волнообразного движения водорослей и пиксельный — для имитации преломления света в воде. Вместо тяжёлых расчётов физики, вершинный шейдер просто смещал точки вдоль синусоидальной волны, в зависимости от времени. Пиксельный шейдер добавлял эффект каустики и лёгкой мутности.

Результат превзошёл ожидания — при минимальных затратах ресурсов мы получили красивый подводный мир, который работал даже на старых устройствах. Именно тогда я понял важность правильного выбора типа шейдера для конкретной задачи.

Каждый тип шейдера выполняется на определённом этапе графического конвейера, что определяет его возможности и ограничения. Рассмотрим основные виды подробнее:

Вершинные шейдеры (Vertex Shaders)

Вершинные шейдеры — первый программируемый этап графического конвейера. Они обрабатывают каждую вершину 3D-модели независимо от других вершин:

• Трансформируют координаты вершин из объектного пространства в пространство экрана
• Рассчитывают нормали для правильного освещения
• Передают текстурные координаты и другие атрибуты следующим шейдерам
• Могут деформировать геометрию (анимация, волны, ветер)

Важное ограничение: вершинные шейдеры не могут создавать или удалять вершины, а работают только с существующими. Типичные примеры использования — скелетная анимация, колыхание травы или водной поверхности.

Пиксельные шейдеры (Fragment/Pixel Shaders)

Пиксельные (или фрагментные) шейдеры выполняются для каждого пикселя, который будет отрисован на экране. Они определяют итоговый цвет каждого пикселя:

• Применяют текстуры и карты материалов
• Рассчитывают освещение, тени и отражения
• Реализуют эффекты прозрачности и преломления
• Создают специальные визуальные эффекты (размытие, свечение)

Пиксельные шейдеры обычно более ресурсоёмкие, чем вершинные, так как количество пикселей значительно превышает количество вершин в сцене. 🖥️

Геометрические шейдеры (Geometry Shaders)

Геометрические шейдеры — относительно новое дополнение к графическому конвейеру, работающее с целыми примитивами (треугольниками, линиями, точками):

• Могут создавать новые вершины и примитивы
• Способны удалять существующую геометрию
• Изменяют тип примитивов (например, точки в треугольники)
• Генерируют дополнительные элементы (например, травинки из полигона земли)

Геометрические шейдеры предоставляют мощные возможности, но могут создавать узкие места в производительности, поэтому используются избирательно.

Тесселяционные шейдеры (Tessellation Shaders)

Тесселяционные шейдеры разбивают крупные полигоны на более мелкие части, повышая детализацию модели:

• Hull Shader (HS) — определяет, как разбить каждый патч (участок поверхности)
• Domain Shader (DS) — определяет позиции новых вершин после разбиения

Тесселяция особенно полезна для объектов, детализация которых должна меняться в зависимости от расстояния до камеры — ландшафты, органические объекты, детализированные поверхности.

Вычислительные шейдеры (Compute Shaders)

Вычислительные шейдеры используют мощность GPU для параллельных вычислений, не привязанных напрямую к графическому конвейеру:

• Физические симуляции (жидкости, ткани)
• Системы частиц высокой плотности
• Обработка изображений и постэффекты
• Генерация процедурного контента

Эти шейдеры открывают возможности GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units) — использования графического процессора для неграфических задач.

Шейдеры по уровню сложности: от базовых до продвинутых

Классификация шейдеров по сложности помогает разработчикам выбирать подходящие решения в зависимости от требований проекта и доступных ресурсов. Давайте рассмотрим шейдеры от простейших до самых продвинутых:

Базовые шейдеры

Базовые шейдеры реализуют фундаментальные алгоритмы визуализации:

• Flat Shading — простейшее однотонное закрашивание полигонов
• Gouraud Shading — интерполяция цвета между вершинами для плавных переходов
• Phong/Blinn-Phong Shading — базовые модели освещения с диффузным и зеркальным компонентами
• Texture Mapping — простое наложение текстуры на поверхность

Эти шейдеры требуют минимальных вычислительных ресурсов и подходят для мобильных платформ или стилизованной графики.

Промежуточные шейдеры

На следующем уровне сложности находятся шейдеры с более реалистичной визуализацией и специальными эффектами:

• Normal Mapping — имитация детализированных поверхностей без увеличения числа полигонов
• Parallax Mapping — создание иллюзии глубины поверхности
• Rim Lighting — подсветка краёв объектов для визуального выделения
• Cartoon/Cell Shading — создание стилизованной графики с чёткими границами цвета
• Environment Mapping — базовые отражения окружения

Эти шейдеры балансируют между качеством и производительностью, делая их популярным выбором для большинства современных игр.

Продвинутые шейдеры

Продвинутые шейдеры обеспечивают высококачественную реалистичную визуализацию:

• Physically Based Rendering (PBR) — физически корректная модель освещения и материалов
• Subsurface Scattering (SSS) — симуляция прохождения света через полупрозрачные материалы (кожа, воск)
• Screen Space Reflections (SSR) — отражения в экранном пространстве для зеркальных поверхностей
• Atmospheric Scattering — реалистичное небо и атмосферные эффекты
• Hair/Fur Shading — специализированные шейдеры для волос и меха

Эти шейдеры обычно требуют мощного аппаратного обеспечения и оптимизированного кода.

Передовые шейдеры

На переднем крае технологий находятся шейдеры, использующие самые современные методы:

• Ray Tracing — трассировка лучей для фотореалистичных отражений, преломлений и теней
• Global Illumination — моделирование непрямого освещения
• Volumetric Rendering — визуализация объемных эффектов (туман, дым, облака)
• Deep Learning Shaders — шейдеры с использованием нейросетей для улучшения качества и производительности

Такие шейдеры часто применяются в высокобюджетных играх AAA-класса и визуализации для кино. 🎮🎬

Специализированные шейдеры и их применение

Помимо общей классификации, существуют специализированные шейдеры, разработанные для решения конкретных задач визуализации. Они часто комбинируют различные техники для достижения специфических эффектов.

Шейдеры для окружающей среды

• Terrain Shaders — визуализация ландшафтов с поддержкой сплайсинга текстур, процедурных деталей и динамических эффектов эрозии
• Water Shaders — симуляция водных поверхностей с волнами, отражениями, преломлениями и эффектом глубины
• Sky Shaders — реалистичное небо с атмосферным рассеиванием, облаками и циклом день/ночь
• Foliage Shaders — оптимизированная визуализация растительности с анимацией под воздействием ветра

Шейдеры материалов и поверхностей

• Metal Shaders — реалистичные металлические поверхности с анизотропными отражениями
• Fabric Shaders — текстиль различных типов (шёлк, хлопок, шерсть) с моделированием микроволокон
• Glass/Transparent Shaders — стекло и прозрачные материалы с корректным преломлением и отражением
• Skin Shaders — реалистичная кожа с подповерхностным рассеиванием и микрорельефом

Мария Соколова, 3D-художник

Разработка шейдера кожи для реалистичного персонажа стала для меня настоящим испытанием. Клиент хотел создать цифрового двойника для VR-презентации, но стандартные подходы давали эффект "восковой фигуры".

Решение пришло через комбинирование нескольких техник: базовый PBR-шейдер для основы, слой подповерхностного рассеивания для естественного "свечения" кожи в подсвеченных местах, и тонкий слой масляного блеска с анизотропным отражением.

Самым сложным оказалось добиться баланса между реалистичностью и производительностью для VR. Пришлось создавать упрощённую версию подповерхностного рассеивания, работающую в экранном пространстве вместо трассировки лучей. Также я использовала карты преднакопленного рассеивания для ключевых областей лица.

Результат превзошёл ожидания — персонаж выглядел живым, с естественными переходами света под кожей, а шейдер оставался достаточно лёгким для стабильной работы в VR на целевом оборудовании.

Шейдеры спецэффектов

• Fire and Smoke Shaders — реалистичный огонь и дым с использованием волюметрического рендеринга
• Particle Shaders — оптимизированная визуализация систем частиц (искры, пыль, осадки)
• Decal Shaders — наложение детализирующих элементов (царапины, грязь, надписи) на поверхности
• Hologram/Glitch Shaders — стилизованные эффекты голограмм, помех и цифровых артефактов

Шейдеры постобработки

Шейдеры постобработки применяются ко всему изображению после основного рендеринга:

• Tone Mapping — преобразование HDR в LDR с сохранением визуальной информации
• Bloom/Glow — свечение ярких областей для усиления визуального воздействия
• Depth of Field (DOF) — симуляция фокусировки камеры с размытием переднего и заднего плана
• Screen Space Ambient Occlusion (SSAO) — добавление мягких теней в углублениях объектов
• Motion Blur — размытие быстро движущихся объектов для повышения динамичности сцены
• Color Grading — художественная коррекция цветов для создания определённой атмосферы

Тренды и будущее шейдерных технологий

Шейдерные технологии продолжают стремительно развиваться, открывая новые возможности для компьютерной графики. Рассмотрим ключевые тренды, которые формируют будущее этой области. 🚀

Гибридный рендеринг и трассировка лучей

Одним из главных трендов является сближение растеризации и трассировки лучей:

• Real-time Ray Tracing — аппаратное ускорение трассировки лучей позволяет применять её в реальном времени
• Hybrid Rendering Pipelines — комбинирование растеризации для базовой геометрии с трассировкой для отражений, теней и глобального освещения
• Path Tracing — постепенное внедрение полноценного path tracing для ещё более реалистичной графики
• Ray Tracing Denoising — использование AI для устранения шума при ограниченном количестве лучей

Интеграция машинного обучения

Искусственный интеллект и машинное обучение всё глубже интегрируются в шейдерные технологии:

• Neural Rendering — использование нейросетей для улучшения качества или оптимизации рендеринга
• DLSS/FSR — технологии интеллектуального масштабирования для повышения производительности без потери качества
• AI-Enhanced Materials — генерация и уточнение свойств материалов с помощью обученных моделей
• GAN-Based Textures — создание высокодетализированных текстур с использованием генеративно-состязательных сетей

Оптимизация для новых платформ

Шейдеры адаптируются к изменениям в аппаратном обеспечении и новым платформам:

• Variable Rate Shading (VRS) — рендеринг с разным разрешением для разных частей изображения для оптимизации ресурсов
• Mesh Shaders — новый тип шейдеров для более эффективной обработки сложной геометрии
• WebGPU — новый стандарт для высокопроизводительной графики в веб-приложениях
• VR/AR Optimized Shaders — специализированные шейдеры для устройств виртуальной и дополненной реальности

Процедурная генерация и рандомизация

Расширяется использование процедурных техник в шейдерах:

• Procedural Weathering — алгоритмическое создание эффектов выветривания и износа материалов
• Dynamic World Generation — процедурное создание и модификация окружения в реальном времени
• Noise-Based Variation — использование различных шумовых функций для естественной вариативности поверхностей
• GPU-Driven Procedural Animation — анимация объектов напрямую через шейдеры без предварительных расчётов на CPU

Унификация и стандартизация шейдерных языков

В индустрии наблюдается тенденция к унификации шейдерных языков и API:

• HLSL Shader Model 6.x — расширение возможностей стандартного языка шейдеров
• Vulkan SPIR-V — кросс-платформенный промежуточный формат для шейдеров
• Universal Shader Graph Systems — визуальные редакторы шейдеров с поддержкой множества платформ
• Material Definition Language (MDL) — единый язык для определения материалов в различных приложениях

Путешествие по миру шейдеров — это бесконечное исследование на границе искусства и технологий. От простейших вершинных шейдеров до сложных систем с трассировкой лучей и интеграцией ИИ — это не просто инструменты, а настоящий язык визуального повествования. Классификация шейдеров даёт нам карту этого мира, но самые интересные открытия происходят, когда мы объединяем различные техники, экспериментируем и выходим за рамки установленных категорий. Только так создаются по-настоящему впечатляющие визуальные эффекты, переносящие зрителя в новые миры и расширяющие границы возможного в компьютерной графике.

Читайте также

• Стилизованная графика в играх: технологии и принципы создания
• 5 проверенных способов увеличить дальность прорисовки в играх
• HBAO против SSAO: технологии затенения в 3D графике – сравнение
• Тени в играх: как алгоритмы создают атмосферу виртуальных миров
• Тесселяция в играх: как цифровой скульптор создает реализм
• Контактные тени в играх: технология невидимого реализма
• Эволюция 3D-графики: от проволочных моделей к фотореализму
• Эффект Bloom в играх: настройка свечения для максимальной графики
• 7 проверенных способов повысить FPS без апгрейда компьютера
• Глубина резкости в играх: как эффект DoF создаёт реализм