Шейдеры: что это, как работают и зачем нужны в играх и графике

Когда мы запускаем современную игру и восхищаемся реалистичными отражениями в луже после дождя или мягкими тенями от листвы, мы редко задумываемся о технологии, стоящей за этой визуальной магией. Между тем, именно шейдеры — небольшие программы, работающие на графическом процессоре — превращают набор геометрических данных в те завораживающие картинки, которые мы видим на экране.

В этом курсе мы разберемся, что представляют собой shader, как они функционируют в рамках графического пайплайна и почему их корректная работа критически важна как для визуального качества, так и для производительности игр и 3D-приложений.

Что такое шейдеры простыми словами

Давайте начнем с понятной аналогии. Представьте, что вы рисуете пейзаж: сначала намечаете контуры дома и деревьев, затем заполняете их цветом, после чего добавляете тени, блики солнечного света на траве и отражения в окнах. Каждый из этих этапов требует определенных инструкций — где именно добавить тень, какой оттенок использовать для блика, под каким углом должен падать свет. В компьютерной графике роль таких инструкций выполняют шейдеры.

Скриншот с сайта shadertoy.com — окно с примером GLSL-шейдера в действии.
Показывает, как выглядят шейдеры в действии на практике.

По своей сути, shader — это небольшие программы, написанные на специализированных языках программирования, которые сообщают графическому процессору (GPU), как именно отрисовывать объекты, текстуры и визуальные эффекты. Они работают невероятно быстро, обрабатывая миллионы пикселей и вершин в секунду, что позволяет создавать динамичные, реалистичные изображения в реальном времени.

Простой пример из игровой практики: когда персонаж в игре подходит к водоему, шейдеры рассчитывают, как свет преломляется в воде, как на поверхности появляются волны, как отражаются окружающие объекты. Без shader вода выглядела бы как плоская синяя текстура — именно эти программы превращают ее в убедительную имитацию реальной жидкости с её физическими свойствами и оптическими эффектами.

Где используются

Шейдеры давно вышли за рамки узкоспециализированного инструмента для игровых разработчиков. Сегодня эта технология применяется практически везде, где требуется работа с двумерной и трехмерной графикой. Давайте рассмотрим основные сферы применения.

• Игровая индустрия. Здесь shader выполняют наиболее заметную работу. Они отвечают за создание реалистичных теней, динамического освещения, отражений на металлических и стеклянных поверхностях, эффектов particle-систем (огонь, дым, искры), а также за текстурирование объектов. Современные игры используют тысячи различных шейдеров для создания визуально насыщенного игрового мира.
• Кино и анимация. В киноиндустрии shader помогают создавать фотореалистичные материалы и спецэффекты. Будь то реалистичная кожа персонажа в анимационном фильме или сложная симуляция жидкости в блокбастере — за всем этим стоят специализированные шейдеры, работающие в связке с системами рендеринга.
• Архитектура и визуализация. Архитекторы и дизайнеры интерьеров используют shader для создания презентационных материалов — трехмерных визуализаций будущих зданий и помещений. Правильно настроенные шейдеры позволяют имитировать различные материалы (дерево, мрамор, стекло) и освещение так точно, что результат сложно отличить от фотографии реального объекта.
• Виртуальная и дополненная реальность (VR/AR). В этих технологиях shader играют критическую роль в создании иммерсивного опыта. Они обеспечивают правильное отображение глубины, объема и взаимодействия виртуальных объектов с реальным окружением, что необходимо для убедительности виртуального мира.
• Наука и образование. Научная визуализация активно использует шейдеры для создания интерактивных моделей — от симуляций погодных явлений и океанических течений до визуализации молекулярных структур и космических объектов. Такие визуализации помогают исследователям и студентам лучше понимать сложные процессы и явления.

Иными словами, везде, где требуется визуальное представление данных в динамике и с высокой степенью детализации, мы обнаруживаем работу shader.

Как работают в графическом пайплайне

Чтобы понять роль шейдеров, необходимо разобраться в том, как вообще происходит процесс создания изображения на экране — то, что в компьютерной графике называется рендерингом. Это многоэтапный процесс, в котором трехмерная сцена последовательно преобразуется в двумерную картинку, которую мы видим на мониторе.

• Моделирование сцены. На первом этапе компьютер получает информацию о геометрии объектов — их форме, размере, положении в пространстве. Здесь же определяются базовые свойства: какие текстуры применяются, из какого материала «сделан» объект, какой у него цвет. Всё это пока существует в виде математических данных.
• Освещение. Система рассчитывает, как источники света взаимодействуют со сценой. Где расположены источники, какого они типа (направленный свет, точечный, рассеянный), как свет отражается от различных поверхностей, преломляется при прохождении через прозрачные материалы, рассеивается в атмосфере — всё это требует сложных вычислений.
• Растеризация. Поскольку конечная цель — показать изображение на плоском экране, трехмерная сцена проецируется на двумерную плоскость. Компьютер определяет, какие пиксели экрана должны отображать те или иные части объектов, учитывая перспективу, взаимное перекрытие объектов и камеру наблюдателя.
• Шейдинг. Именно здесь вступают в игру shader. Они получают данные о каждом пикселе или вершине и применяют к ним финальные визуальные эффекты — правильные тени, отражения, текстуры, цветовые переходы. Шейдеры определяют, как именно будет выглядеть каждый элемент изображения, реализуя художественное видение создателей.
• Постобработка. После основного рендеринга к изображению могут применяться дополнительные эффекты — размытие для имитации глубины резкости, цветокоррекция, bloom-эффекты (свечение ярких участков), зернистость пленки и многое другое. Здесь тоже работают специализированные шейдеры.

Весь этот процесс происходит десятки раз в секунду, чтобы обеспечить плавную анимацию. И shader — неотъемлемая часть этого конвейера, во многом определяющая финальное визуальное качество.

Линейная схема рендеринга, показывающая ключевые этапы: моделирование, освещение, растеризацию, шейдинг и постобработку. Помогает понять, где именно применяются шейдеры и как данные превращаются в изображение.

Роль шейдеров на каждом этапе рендеринга

Давайте конкретизируем участие shader в графическом пайплайне:

• На этапе вершинной обработки шейдеры трансформируют геометрию объектов, определяя положение каждой вершины в пространстве с учетом движения камеры и анимации.
• На геометрическом этапе они могут создавать дополнительные примитивы или модифицировать существующие — например, генерировать траву из отдельных точек или создавать эффект меха.
• На этапе растеризации пиксельные shader определяют финальный цвет каждого пикселя, учитывая освещение, текстуры, тени и прочие визуальные характеристики.
• При постобработке специализированные шейдеры применяют эффекты ко всему изображению целиком, добавляя кинематографичности или стилизации.

Таким образом, shader присутствуют практически на каждом критически важном этапе создания изображения, что объясняет их центральную роль в современной компьютерной графике.

Виды и их функции

Шейдеры классифицируются по тому, на каком этапе графического пайплайна они работают и какие задачи решают. Понимание различий между типами shader помогает оценить сложность современной графики и то, насколько многоуровневой является обработка изображения.

Сравнение вычислительной нагрузки на GPU по типам шейдеров. Пиксельные и вычислительные оказывают наибольшее влияние на производительность и требуют оптимизации.

Вершинный шейдер (Vertex Shader).

Это первый этап обработки в графическом конвейере. Вершинные shader работают с каждой вершиной трехмерного объекта — точками, которые определяют его геометрию. Их задача — преобразовать координаты вершин из локального пространства объекта в экранное пространство, учитывая положение камеры, перспективу и различные трансформации. Кроме того, вершинные шейдеры используются для анимации: они могут смещать вершины для создания эффектов деформации, волн на воде или развевающейся ткани. Без корректной работы вершинных shader объекты неправильно отображались бы в пространстве.

Геометрический шейдер (Geometry Shader).

Он работает с целыми геометрическими примитивами — треугольниками, линиями, точками. Геометрические shader могут модифицировать существующую геометрию или генерировать новую: разбивать один треугольник на несколько, создавать дополнительные детали «на лету». Классические примеры применения — процедурная генерация травы из отдельных точек, создание эффекта меха или волос, визуализация частиц. Это мощный инструмент, но его использование требует осторожности, так как генерация большого количества геометрии может существенно снизить производительность.

Пиксельный (фрагментный) шейдер (Pixel/Fragment Shader).

Возможно, самый важный тип shader с точки зрения визуального результата. Пиксельные шейдеры определяют финальный цвет каждого пикселя на экране. Они учитывают освещение, текстуры, тени, отражения, прозрачность и множество других факторов. Именно пиксельные создают те визуальные эффекты, которые мы замечаем в первую очередь: реалистичную кожу персонажей, блестящие металлические поверхности, сложное освещение. Они выполняются для каждого видимого пикселя, что делает их критически важными для производительности — в разрешении 4K это более 8 миллионов пикселей на кадр.

Вычислительный шейдер (Compute Shader).

Этот тип стоит особняком, так как не является частью традиционного графического пайплайна. Вычислительные используют мощность GPU для общих вычислений, не связанных напрямую с отрисовкой. Они применяются для физических симуляций (расчет столкновений, движения жидкостей), процедурной генерации контента, обработки больших массивов данных. В играх вычислительные shader часто используются для реализации сложных эффектов частиц или для ускорения AI-расчетов.

Трассировки лучей (Ray Tracing Shaders)

— относительно новый тип, работающий с технологией ray tracing. Они симулируют физически корректное поведение света, рассчитывая путь лучей в сцене для создания реалистичных отражений, преломлений и глобального освещения.

Материалов (Material Shaders)

— определяют физические свойства поверхностей: является ли материал металлом или диэлектриком, какова его шероховатость, как он реагирует на свет. Эти параметры критически важны для physically-based rendering (PBR) — современного подхода к реалистичной графике.

Теней (Shadow Shaders)

— специализируются на расчете и отрисовке теней различной сложности, от простых shadow maps до сложных soft shadows с размытыми краями.

Постобработки (Post-processing Shaders)

— применяются к готовому изображению для создания финальных эффектов: motion blur, depth of field, цветокоррекции, виньетирования и прочих кинематографических эффектов.
Современные игры и 3D-приложения используют десятки, а иногда и сотни различных shader одновременно, комбинируя их для достижения нужного визуального результата. Это объясняет, почему графика в играх за последние годы сделала такой значительный скачок вперед.

На чём пишут: языки и технологии

Шейдеры пишутся на специализированных языках программирования, которые оптимизированы для работы с графическими процессорами. Выбор конкретного языка зависит от платформы, графического API и целей разработки. Давайте рассмотрим основные языки шейдинга и их область применения.

HLSL (High-Level Shading Language)

Разработанный Microsoft, этот язык является стандартом для работы с DirectX API, который доминирует в Windows-разработке и на консолях Xbox. HLSL считается относительно доступным для изучения, особенно для тех, кто уже знаком с языком C. Он поддерживается графическими процессорами от NVIDIA и AMD, что делает его универсальным выбором для разработки под Windows и Xbox. Синтаксис HLSL интуитивно понятен, а обширная документация от Microsoft облегчает процесс обучения.

GLSL (OpenGL Shading Language).

Этот язык используется в связке с OpenGL API — кроссплатформенным стандартом графики, который работает на Windows, Linux, macOS, мобильных устройствах и в веб-приложениях через WebGL. GLSL во многом похож на HLSL, но имеет свои особенности синтаксиса и встроенных функций. Он поддерживается практически всеми производителями GPU, что делает его отличным выбором для кроссплатформенной разработки. Многие онлайн-платформы для экспериментов с shader (ShaderToy, GLSL Sandbox) используют именно этот язык.

ShaderLab.

Это не совсем язык программирования в традиционном смысле, а скорее система описания shader, разработанная специально для игрового движка Unity. ShaderLab позволяет определять структуру, его свойства и варианты, при этом сам код внутри может быть написан на HLSL или на упрощенном Unity-специфичном синтаксисе. Это делает работу в Unity более доступной, особенно в сочетании с визуальным редактором Shader Graph, который позволяет создавать шейдеры без написания кода.

MSL (Metal Shading Language).

Язык от Apple, используемый в графическом API Metal для устройств на iOS, macOS и других платформах Apple. MSL базируется на C++14 и предлагает высокую производительность и низкоуровневый контроль над GPU. Если вы разрабатываете приложения эксклюзивно для экосистемы Apple, MSL — ваш выбор.

Cg (C for Graphics).

Разработанный NVIDIA совместно с Microsoft, этот язык был попыткой создать универсальное решение, совместимое и с DirectX, и с OpenGL. Хотя Cg больше не развивается активно (NVIDIA прекратила его поддержку в 2012 году), его влияние на развитие HLSL было значительным, и некоторые legacy-проекты всё ещё используют этот язык.

C++.

Хотя сами shader обычно не пишутся на C++, этот язык используется для низкоуровневой работы с графикой, написания графических движков и интеграции их в приложения. В некоторых современных API, таких как Vulkan, C++ применяется для более тонкого контроля над графическим конвейером, а предварительно скомпилированные шейдеры в формате SPIR-V могут быть созданы из различных исходных языков.

Выбор языка часто продиктован не личными предпочтениями, а технологическим стеком проекта. Работаете в Unity — используете ShaderLab и HLSL. Создаёте кроссплатформенное приложение с OpenGL — выбираете GLSL. Разрабатываете игру для Xbox — работаете с HLSL и DirectX. Впрочем, базовые концепции шейдинга остаются схожими во всех языках, и освоив один, вы сможете относительно легко перейти на другой.

Инструменты и среды для работы

Для создания, тестирования и отладки shader существует множество инструментов — от профессиональных игровых движков до простых онлайн-песочниц. Выбор среды разработки зависит от ваших целей: экспериментируете ли вы с визуальными эффектами, создаёте шейдеры для конкретной игры или учитесь основам.

• Unity. Один из самых популярных игровых движков предлагает несколько способов работы с shader. Вы можете писать код на ShaderLab вручную, использовать встроенные стандартные шейдеры или работать с визуальным редактором Shader Graph, который позволяет создавать сложные shader путём соединения узлов — без написания кода. Это делает Unity отличной платформой как для начинающих, так и для опытных разработчиков. Движок предоставляет обширную библиотеку готовых решений, которые можно изучать и модифицировать под свои нужды.
• Unreal Engine. Этот мощный движок от Epic Games поддерживает работу с шейдерами через Material Editor — визуальную систему на основе нодов, которая позволяет создавать невероятно сложные материалы без глубокого знания кода. Для тех, кто предпочитает прямой контроль, доступна работа с HLSL. Unreal Engine особенно силён в создании высококачественной, фотореалистичной графики, и его инструменты для работы с материалами отражают этот фокус.
• ShaderToy. Это онлайн-платформа, ставшая культовой в сообществе шейдер-художников. ShaderToy позволяет писать фрагментные shader на GLSL прямо в браузере и мгновенно видеть результат. Платформа содержит тысячи примеров от других пользователей — от простых демонстраций до умопомрачительно сложных сцен, созданных всего несколькими строками кода. Это идеальное место для обучения и экспериментов, где можно изучать чужой код, модифицировать его и создавать собственные визуальные эффекты.
• GLSL Sandbox. Ещё одна популярная онлайн-платформа для работы с GLSL, предоставляющая минималистичный интерфейс для быстрого прототипирования шейдеров. Здесь также можно делиться своими работами и изучать примеры других разработчиков. GLSL Sandbox часто используется для создания абстрактной генеративной графики и визуальных экспериментов.
• Visual Studio. Интегрированная среда разработки от Microsoft включает встроенный редактор шейдеров для работы с DirectX и HLSL. Это профессиональный инструмент, предоставляющий мощные возможности отладки, профилирования и визуализации. Если вы разрабатываете графические приложения на C++ с использованием DirectX, Visual Studio будет вашим основным рабочим инструментом.

Для начинающих мы рекомендуем начать с онлайн-платформ вроде ShaderToy — здесь можно быстро получить визуальный результат и понять базовые концепции шейдинга, не погружаясь в сложности настройки полноценной среды разработки. По мере роста компетенций можно переходить к работе в игровых движках, где шейдеры интегрируются в более широкий контекст создания интерактивных приложений.

Как шейдеры влияют на производительность в играх

Шейдеры — это не только инструмент создания красивой графики, но и один из ключевых факторов, влияющих на производительность игр. Понимание того, как shader воздействуют на частоту кадров и общую плавность геймплея, помогает разобраться в природе многих технических проблем, с которыми сталкиваются геймеры.

Не все одинаково нагружают систему. Существуют простые шейдеры, выполняющие базовые операции — например, наложение текстуры на поверхность объекта. Такие shader практически не влияют на производительность, что объясняет, почему настройка «качество текстур» в большинстве игр слабо воздействует на FPS (при условии, что системе хватает видеопамяти). Текстурирование — это относительно «дешёвая» операция с точки зрения вычислительной нагрузки.

Однако существуют и чрезвычайно сложные shader, требующие массивных вычислений. Классический пример — shader трассировки лучей (ray tracing), которые симулируют физически корректное поведение света в сцене. Они обрабатывают огромные объёмы данных, рассчитывая отражения, преломления и глобальное освещение. Именно поэтому включение RTX в играх может снизить частоту кадров на 30-50% даже на мощных видеокартах. Мы получаем визуально потрясающую картинку, но платим за это производительностью.

Впрочем, снижение FPS — не единственная и не самая неприятная проблема, связанная с шейдерами. Гораздо более раздражающим фактором являются фризы и статтеры — короткие микрозависания, которые превращают плавный геймплей в рваное, дёрганое действие. Если с пониженным, но стабильным FPS ещё можно смириться, то постоянные паузы на доли секунды разрушают погружение и делают игру некомфортной, особенно в динамичных жанрах.

Зависимость частоты кадров от сложности шейдеров. Простые работают быстрее, тогда как шейдеры трассировки лучей значительно снижают FPS ради фотореалистичности.

Природа этих фризов кроется в процессе компиляции shader — и здесь мы подходим к одной из самых обсуждаемых технических проблем современного PC-гейминга.

Почему происходят фризы: механизм компиляции

Чтобы понять источник проблемы, нужно разобраться в том, как шейдеры попадают из исходного кода в рабочее состояние. Разработчики пишут их на высокоуровневых языках программирования — HLSL, GLSL и других. Эти языки понятны человеку, но не понятны графическому процессору. GPU работает исключительно с машинным кодом — низкоуровневыми двоичными инструкциями.

Процесс перевода с высокоуровневого языка в машинный код называется компиляцией, и эту задачу выполняет центральный процессор. Когда нужно скомпилировать один-два shader, проблем не возникает — процессор справляется мгновенно. Но современные игры используют тысячи различных shader. Когда игре внезапно требуется подгрузить и скомпилировать десятки или сотни шейдеров одновременно — например, при переходе в новую локацию или появлении нового типа эффектов — даже мощные процессоры могут не справляться с нагрузкой. В этот момент игра замирает, ожидая завершения компиляции, и мы наблюдаем фриз.

Ситуация осложняется тем, что на PC невозможно применить консольное решение этой проблемы. На PlayStation и Xbox shader компилируются один раз во время установки игры, поскольку конфигурация консоли известна и неизменна. На компьютерах же существует огромное разнообразие комбинаций процессоров, видеокарт, объёма памяти и других компонентов. Шейдеры компилируются индивидуально для каждой конфигурации, и если вы замените, скажем, видеокарту, игре придётся компилировать всё заново. Разработчики физически не могут предоставить предварительно скомпилированные shader для всех возможных сочетаний компонентов — их количество астрономическое.

Как разработчики и игроки оптимизируют работу с шейдерами

Проблема компиляции и связанных с ней фризов хорошо известна в индустрии, и существует несколько подходов к её решению — как со стороны разработчиков, так и со стороны пользователей.

Стратегии разработчиков

Команды разработчиков применяют различные подходы к организации компиляции, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

• Полная предварительная компиляция. Некоторые игры компилируют все необходимые shader при первом запуске, до того как игрок попадёт в игровой мир. Именно поэтому игры вроде The Last of Us Part I или S.T.A.L.K.E.R. 2: Heart of Chornobyl просят подождать несколько минут (а иногда и часов на слабых системах) в главном меню. Это решение гарантирует, что во время геймплея не будет фризов, связанных с компиляцией, но требует терпения от игроков на старте.
• Динамическая компиляция во время игры. Альтернативный подход — компилировать шейдеры «на лету», по мере необходимости. Это позволяет быстрее начать игру, но создаёт риск фризов и статтеров во время геймплея, особенно при первом посещении новых локаций или активации сложных эффектов.
• Гибридный подход. Большинство современных игр используют комбинированную стратегию: базовый набор наиболее критичных shader компилируется при запуске, а остальные подгружаются динамически. Это компромисс между временем ожидания и стабильностью производительности.
• Интеллектуальная предзагрузка. Опытные программисты могут предсказывать, какие шейдеры понадобятся в ближайшем будущем, и компилировать их заранее, в моменты низкой нагрузки. Например, если игра знает, что в следующей локации не будет воды, shader для водных эффектов просто не компилируются. Такая оптимизация требует глубокого понимания архитектуры игры и тщательной работы, что объясняет разницу между хорошо оптимизированными играми и теми, что страдают от постоянных технических проблем.

Рекомендации для игроков

Хотя идеальное решение проблемы должно приходить от разработчиков, существует ряд мер, которые геймеры могут предпринять самостоятельно для минимизации негативного влияния компиляции шейдеров на игровой процесс.

• Установка на SSD. Это, пожалуй, наиболее эффективная рекомендация. Твердотельные накопители обладают на порядок более высокой скоростью чтения мелких файлов по сравнению с традиционными жёсткими дисками. Поскольку компиляция shader связана с частым обращением к множеству небольших файлов, SSD существенно ускоряет этот процесс и сокращает длительность фризов.
• Использование более мощного процессора. Компиляцией шейдеров занимается CPU, а не GPU. Процессор с большим количеством ядер и более высокой тактовой частотой справится с задачей быстрее, что напрямую отразится на количестве и длительности фризов. Если вы планируете апгрейд системы, стоит уделить внимание не только видеокарте, но и процессору.
• Закрытие фоновых программ. Перед запуском игры рекомендуется завершить все ресурсоёмкие приложения — браузеры с множеством вкладок, стриминговые клиенты, программы для записи видео. Это освобождает ресурсы процессора для компиляции шейдеров и обработки игровой логики. Дополнительно можно провести базовую оптимизацию Windows — отключить ненужные службы и процессы автозапуска.
• Ограничение частоты кадров. Это может показаться контринтуитивным, но установка верхнего предела FPS в настройках игры (например, 60 или 120 кадров в секунду вместо неограниченного режима) снижает нагрузку на систему. Процессор получает «передышку» и может быстрее справляться с компиляцией shader, что уменьшает количество заметных фризов.
• Терпение при первом запуске. Если игра предлагает предварительную компиляцию shader в меню, стоит дождаться завершения этого процесса, каким бы долгим он ни был. Это инвестиция времени, которая окупится стабильным геймплеем без неожиданных зависаний.

Важно понимать, что перечисленные меры не устранят проблему полностью, если игра плохо оптимизирована на уровне кода. Однако они определённо помогут улучшить ситуацию и сделают игровой процесс более комфортным, особенно на системах среднего уровня производительности.

Заключение

Шейдеры представляют собой фундаментальную технологию современной компьютерной графики, без которой невозможно представить ни игровую индустрию, ни кинопроизводство, ни архитектурную визуализацию. Эти небольшие программы, выполняющиеся на графических процессорах, определяют, как именно будут выглядеть объекты на экране — от простого наложения текстур до сложнейших эффектов трассировки лучей и физически корректного освещения.

• Шейдеры — программы на GPU. Они формируют свет, тени, материалы и общий вид сцены.
• Типы шейдеров различаются по этапам конвейера. Каждый решает свою задачу и влияет на итоговый кадр по-разному.
• Основные языки — HLSL и GLSL. Они дают переносимость между движками и детальный контроль над эффектами.
• Сложные эффекты повышают нагрузку. Без оптимизации падает FPS и растёт время кадра.
• Компиляция шейдеров влияет на стабильность. Предзагрузка и кэш снижают фризы и статтеры.

Рекомендуем обратить внимание на подборку курсов по геймдизайну. Если вы только начинаете осваивать профессию разработчика игр, в курсах есть теоретическая база и практические задания для создания собственных шейдеров.