Shader sind aus modernen Spielen nicht mehr wegzudenken. Selbst in 2D-Spielen werden sie zahlreich eingesetzt. In dieser kleinen Serie sollen die Grundlagen und Möglichkeiten vermittelt werden. Implementiert wird es in GameMaker Studio 2. Da es sich um Grundlagen handelt, ist es dennoch für die meisten Anwendungen und Entwicklungsumgebungen geeignet.
Zielgruppe des Tutorials
Die Shaderprogrammierung ist nichts für Leute, die sonst noch nie etwas im GameMaker getan haben. Wer dem Tutorial folgen will, sollte schon einige Stunden in der Game-Engine verbracht haben und wissen, wie man Ressourcen und Instanzen erstellt. Außerdem ist es von Vorteil, wenn man bereits einige Begrifflichkeiten aus der Programmierung und der Spieleentwicklung kennt, auch wenn ich mich bemühe, die Dinge näher zu erläutern, die man für das Grundverständnis braucht.
Diese Serie befasst sich mit den Grundlagen und beinhaltet einige praktische Beispiele. Es geht um die Technik, wie man Shader programmiert und sie in GameMaker Studio 2 einbaut. Das bedeutet, dass hier nicht jeder Sonderfall behandelt werden kann. Ich hoffe jedoch, dass die Serie die gängigsten Fälle abdeckt und das nötige Verständnis vermittelt, damit sich bei den kommenden Herausforderungen jeder selbst helfen kann.
Was nicht vermittelt wird, ist die Mathematik hinter den einzelnen Shadern.
Alle verwendeten Grafiken stammen übrigens von Open Gaming Art.
Was sind Shader?
Shader sind spezielle Programme, die in Echtzeit Grafiken generieren und steuern. Ursprünglich wurden sie entwickelt, um Schattierungen für die Beleuchtung zu erzeugen – daher der Name. Inzwischen werden sie für eine Vielzahl von Effekten verwendet. Sie werden normalerweise in einer speziellen Programmiersprache geschrieben, wie z. B. GLSL (OpenGL Shading Language) oder HLSL (High-Level Shading Language, die bei der Arbeit mit DirectX verwendet wird). Diese Sprachen ermöglichen es dem Entwickler, detaillierte Anweisungen zu geben, wie ein bestimmtes Grafikelement gerendert werden soll.
Im GameMaker können Shader in GLSL, HLSL und GLSL ES (eine Untergruppe von GLSL, die bei mobilen Geräten üblich ist) geschrieben werden. ES steht übrigens für Embedded Systems. Abgesehen von Syntaxunterschieden sollten die Mathematik und die Techniken in allen drei Sprachen ähnlich sein.
Wie funktioniert ein Shader?
Shader werden direkt auf dem Grafikprozessor ausgeführt und nicht auf der CPU (Central Processing Unit). Sie sind in der Lage, Grafiken in Echtzeit zu erzeugen und zu manipulieren, indem sie die Eigenschaften von Objekten und Oberflächen in einer Szene steuern. Die Grafikkarten sind für solche Berechnungen optimiert, weshalb Shader wesentlich leistungsfähiger laufen, als wenn man diese Berechnungen über den Prozessor ausführen würde.
Ein Shader besteht aus einer Reihe von Anweisungen und Variablen, die es ihm ermöglichen, bestimmte Effekte zu erzeugen. Der Prozess beginnt damit, dass die CPU Daten an die GPU (Graphics Processing Unit) sendet. Diese Daten enthalten bspw. Informationen über die Position, Größe, Farbe und andere Eigenschaften von Objekten in der Szene.
Ebenfalls ein Shader-Effekt: Dieses schöne Plasma
Der Shader wird dann aufgerufen und beginnt, die übergebenen Daten zu verarbeiten. Es führt mathematische Operationen auf den Daten aus, um sie zu manipulieren und Effekte wie Beleuchtung, Schatten oder Verzerrungen zu erzeugen. Er kann auch Texturen verwenden, um realistische Oberflächen zu simulieren und visuelle Effekte wie Glanz, Spiegelungen oder Transparenz zu erzeugen.
Sobald der Shader seine Berechnungen abgeschlossen hat, sendet er die resultierenden Grafiken zurück an die GPU, wo sie auf dem Bildschirm gerendert werden.
Wo werden Shader eingesetzt?
In GameMaker Studio 2 und anderen Entwicklungsumgebungen können Entwickler Shader nutzen, um die Grafiken in einem Spiel zu verbessern und anspruchsvolle visuelle Effekte erzeugen. Durch die Manipulation von Farben, Texturen und anderen Eigenschaften können Shader eine Vielzahl von Effekten darstellen, die dem Spiel eine visuelle Tiefe und Atmosphäre verleihen. Normalerweise setzt man Shader für folgende Aufgaben ein:
- Post-Processing-Effekte wie Farbkorrektur, Sättigung, Verzerrungen, Weichzeichner, Pixeleffekt, CRT-Effekt etc.
- Manipulation von Sprites (Farbe, Verzerrung etc.)
- Erzeugen von bildschirmfüllenden 2D-Effekten (Plasma, Fraktale u. v. m.)
- Verbesserung von 3D-Szenen (Licht/Schatten, Wasser, Spiegelungen, Texturen etc.)
- Generieren von ganzen 3D-Szenen
- Partikeleffekte wie Rauch, Feuer, Wasser, Blut und Explosionen
- Simulationen von Flüssigkeiten, Wolken, Nebel, Gras, Haare usw.
Die Vielzahl der Möglichkeiten macht den Einstieg etwas schwierig. Da man mit Shadern so viel machen kann, erscheint das Thema nicht wirklich greifbar. Ich hoffe, dass dieses Tutorial für mehr Klarheit sorgt.
