Cg (lenguaje de programación)

Cg o C for Graphics es un lenguaje de alto nivel desarrollado por Nvidia en colaboración con Microsoft^[1]^[2] para la programación de vertex y pixel shaders. Es similar al lenguaje de Microsoft HLSL.

Una escena que contiene varios shaders HLSL 2D diferentes. La distorsión de la estatua se consigue de forma puramente física, mientras que la textura del marco rectangular situado junto a ella se basa en la intensidad del color. El cuadrado del fondo se ha transformado y girado. La transparencia parcial y el reflejo del agua en primer plano se añaden mediante un sombreador aplicado finalmente a toda la escena.

El lenguaje está basado en lenguaje de programación C y comparte varias de sus características aunque existen diferencias notables y elementos añadidos para adaptarlos a cuestiones concretas y especiales de la programación de las GPU (Graphics Processing Unit o Unidad de Procesamiento de Gráfico).

Este lenguaje fue diseñado específicamente para las acelaradoras y es de gráficas, no es de ser utilizado como lenguaje propósito general. Por el contrario, el lenguaje : (también orientado a programación de GPU) sí puede ser utilizado para aplicaciones de propósito general.

Descripción general

En un primer momento, las aceleradoras se programaban en bajo nivel, utilizando directamente el repertorio de instrucciones de los procesadores de GPU y é . Cg surge como alternativa para facilitar la labor al programador.

El lenguaje suele consistir de dos tipos de programas completamente diferentes que interactúan entre sí. El primero es un programa de manipulación de vértices (modificar el modelo tridimensional) directamente desde la aceleradora, sin gastar recursos de la CPU principal. Por otra parte, la función del segundo tipo de programa es especificar el color de cada píxel en función de múltiples factores.

Algunas de las ventajas de usar Cg son:

Un lenguaje de alto nivel es más fácil de programar, aprender, leer y mantener
Es fácil para depurar errores.
Puede funcionar en un amplio rango de hardware y plataformas (Es menos dependiente del hardware concreto y sus versiones que el lenguaje assembler)
El compilador de Cg puede optimizar el código en función de la versión de hardware concreta y otras características disponibles en el momento de ejecutar el programa.

Detalle

Perfiles

En el lenguaje utiliza la noción de perfiles (Cg Profiles) para facilitar la portabilidad. Cada uno de ellos establece capacidades mínimas y requisitos. De esta forma, un programador puede desarrollar un programa (o varias versiones) con la seguridad de que se ejecutará correctamente en aquellos sistemas que acepten ese perfil.

El establecimiento de los perfiles es una forma de asegurar la compatibilidad sin tener que implementar estrategias más complejas como la Compatibilidad hacia atrás.

Los Tipos de datos, operadores, funciones, estructuras, entre otros varían de acuerdo al perfil que se en el que se trabaje.

Tipos de datos

C for Graphics tiene seis tipos básicos de datos, algunos específicos para la programación de las GPU:

float - número de 32bit en coma flotante
half - número de 16bit en coma flotante
int - número de 32bit entero
fixed - número de 12bit en coma fija
bool - valor booleano
sampler* - un objeto de textura

También existen algunos tipos compuestos como vectores de 3 floats y matrices como 4x4 float.

Operadores

Cg soporta un conjunto limitado de operadores comparado con C/C++ sin embargo extiende algunos de ellos para realizar operaciones entre vectores.

Funciones

Cg admite crear funciones de manera similar que en C.

Control de flujo

Se admiten estructuras de control como bucles y control de flujo. En muchos casos, es condición necesaria que los ciclos sean desenrollables (para esto se debe conocer de antemano el número de veces que se ejecutará). Por otra parte, se pide que las secuencias de control estén limitadas en cuanto a niveles de anidamiento o bien que el predicado esté formado por variables globales a todo el programa (es decir dentro del programa se sepa ya si el predicado es cierto o falso).

La biblioteca estándar Cg

Esta biblioteca contiene muchas funciones útiles para la manipulación de números en coma flotante, vectores, matrices y texturas de tal forma que operaciones relativamente complejas (desde el punto de vista de un procesador) como el cálculo de la iluminación de un punto se resuelven con sólo unas pocas operaciones.

La biblioteca Cg de ejecución

Cg tiene un amplio repertorio de funciones para interactuar con el sistema Cg dentro de la biblioteca gráfica que se esté utilizando, esta sea DirectX u OpenGL.

Un ejemplo de Cg vertex shader

 // input vertex
 struct VertIn {
     float4 pos   : POSITION;
     float4 color : COLOR0;
 };

 // output vertex
 struct VertOut {
     float4 pos   : POSITION;
     float4 color : COLOR0;
 };

 // vertex shader main entry
 VertOut main(VertIn IN, uniform float4x4 modelViewProj) {
     VertOut OUT;
     OUT.pos     = mul(modelViewProj, IN.pos); // calculate output coords
     OUT.color   = IN.color; // copy input color to output
     OUT.color.z = 1.0f; // blue component of color = 1.0f
     return OUT;
 }