シェーディング言語

シェーディング言語とは

シェーディング言語は、プログラマブルシェーダーのために設計されたプログラミング言語です。C言語やJavaのような汎用言語とは異なり、色や法線といったグラフィックス特有のデータ型を扱います。標準入出力機能を持たないなど、特定の領域に特化したドメイン固有言語の一種です。3次元コンピュータグラフィックスの多様なニーズに応えるため、多くのシェーディング言語が開発されてきました。

プロダクションレンダリング向けシェーディング言語

プロダクションレンダリングでは、最高の画質を追求するためにシェーディング言語が用いられます。これらの言語は、材質の特性を抽象的に表現し、プログラミングスキルやハードウェアに関する深い知識を必要としません。アーティストがテクスチャマッピングやライティングなどの作業を直感的に行えるように設計されています。

RenderMan Shading Language (RSL)

RenderMan Shading Language（RSLまたはSL）は、RenderManインターフェース仕様で定義され、プロダクションレンダリングで最も広く利用されているシェーディング言語です。これは、最初のシェーディング言語としても知られています。

RSLでは、以下の6つの主要なシェーダータイプが定義されています。

光源シェーダー: 光源から照射面への光の色を計算します。
表面シェーダー: 照射されるオブジェクトの光学的特性をモデル化し、入射光と物体の物理的特性を考慮して、照射点での最終的な色と位置を計算します。
ディスプレイスメントシェーダー: 表面の形状を、色とは独立して操作します。
デフォーメーションシェーダー: 全体の空間を特定の形状に変換します。AIR rendererでのみ実装されています。
ボリュームシェーダー: ボリュームを通る光の色を操作し、フォグのような効果を生み出します。
イメージャーシェーダー: 色を最終的なピクセル値に変換します。これはイメージフィルターに似ていますが、量子化前のデータを操作できるため、より広いダイナミックレンジを持っています。

Houdini VEX Shading Language

Houdini VEX (Vector Expressions) シェーディング言語（VEX）は、RenderManシェーディング言語に似せて作られています。3Dグラフィックスパッケージに統合されており、シェーダー開発者は通常アクセスできないレンダリングプロセス内部の情報にアクセスできます。RSLとVEXの主な違いは構文であり、一部のシェーダー命令の名前が異なります。

Gelato Shading Language

Gelatoのシェーディング言語もRenderManシェーディング言語によく似ていますが、構文に違いがあります。Gelatoでは、関数定義中の引数を区切る際にカンマではなくセミコロンを使用します。また、一部のシェーダー命令の名前とパラメータが異なります。

リアルタイムレンダリング向けシェーディング言語

リアルタイムレンダリングでは、GPUの性能を最大限に引き出すためにシェーディング言語が用いられます。これらの言語により、開発者はハードウェアの抽象度を高めつつ、柔軟なプログラミングモデルを利用できます。これにより、レンダリング処理を詳細に制御し、高品質なコンテンツを効率的に開発できます。リアルタイムレンダリング用のシェーダーは、GPU上で直接実行されるように設計されており、そのストリームプログラミングモデルはGPGPUなどの汎用処理にも応用されています。

ARB (OpenGL Architecture Review Board)

OpenGL Architecture Review Boardが策定したARBは、グラフィックスプロセッサ向けの標準低レベル命令セットです。高レベルシェーディング言語はARBにコンパイルされて実行されます。ARBアセンブリはフロー制御や分岐をサポートしていませんが、移植性が高く、多くのGPUで利用されています。

OpenGL Shading Language (GLSL)

GLSL（glslangとも呼ばれる）は、C言語をベースとしたOpenGL API用の高レベルシェーディング言語です。OpenGLのバージョン1.5で拡張機能として導入された後、バージョン2.0で標準化されました。OpenGL ESやWebGLなどの派生規格でもサポートされています。GLSLは、頂点処理とフラグメント処理を統合し、条件ループや分岐をサポートしています。

DirectX アセンブリ言語

Direct3D 8で初めて導入されたアセンブリ言語です。ハードウェア非依存の中間バイトコードにアセンブルされるため、Direct3D対応であれば実行ハードウェアを問いません。Direct3D 9でも使用可能ですが、Direct3D 10以降では使用できません。

DirectX High Level Shading Language (HLSL)

HLSLは、Direct3D 9で初めて導入されたC言語およびC++をベースとする高レベルシェーディング言語です。リアルタイムレンダリング用途で広く利用されており、Microsoftの多大なサポートによって発展しました。HLSLはGLSLの競合としてリリースされましたが、機能はGLSLに合わせて拡張されています。

OpenGL/Direct3Dで利用可能なシェーダープログラムのステージと機能は、OpenGL/Direct3DのバージョンやGPUメーカーによって異なり、完全な互換性を持つシェーダープログラムを記述するのが難しい場合があります。

Adobe Flash シェーディング言語

Adobe Systemsは、Adobe Flash 11以降向けに、Adobe Graphics Assembly Language (AGAL) とC言語風のPixel Bender 3Dを開発しました。

PlayStation 4|PlayStation_4 シェーディング言語

ソニーはPlayStation 4|PlayStation_4用にPSSL (PlayStation Shader Language) を開発しました。PSSLはHLSLをベースとしています。

Metal Shading Language (MSL)

AppleはiOS 8で導入したMetal API用に、MSL (Metal Shading Language) を開発しました。

NVIDIA シェーディング言語

NVIDIAが開発したこの言語は、プロダクションの作業パイプラインを統合しやすく設計されており、APIに依存せず、素材管理を改善するための多くの無料ツールが提供されています。CgはOpenGLとDirect3Dの両環境で動作するプログラムを記述できます。Cgは2012年4月にバージョンアップが終了し、将来の新しいハードウェア機能をサポートしないため、新規開発での採用は推奨されていません。しかし、CgはHLSLと構文が似ており、ある程度の互換性が確保されています。

Cgは最終製品にはあまり使われていませんが、新しいシェーディング言語への橋渡しとして、Adobe Photoshop、Maya、LightWaveなどのデジタルコンテンツ制作現場で利用されています。PlayStation 3の標準シェーディング言語としても採用され、AAAタイトルWindowsゲームやUnityのようなゲームエンジンでも実績があります。Cgの特徴として、様々な処理ステージを結びつける「コネクタ」と呼ばれる特別なデータ構造があります。

まとめ

シェーディング言語は、3Dグラフィックスの様々な分野で利用されており、その種類や特性も多岐にわたります。それぞれの言語が特定の用途や環境に最適化されており、開発者は目的に応じて適切な言語を選択する必要があります。

注釈

この文章は、提供された情報を基に再構成したものです。

出典

提供された情報から

関連項目

3次元コンピュータグラフィックス
シェーダー

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