OpenGL进阶(十二) - 基础着色(Shading)
来源:互联网 发布:caffe fine tuning 编辑:程序博客网 时间:2024/05/29 03:16
提要
经过前面的关于GLSL基础学习,可以参考OpenGL进阶专栏中的一些文章。
接下来的内容将会非常的有意思,比如全局光照,环境贴图,法线贴图,景深....是不是听着就很棒!想要学习的话,当然需要付出更多的努力!不过一切都是值得的。
今天的内容主要是关于光照的一些基础着色。
在光照模型中,光照主要由三部分组成:环境光(ambient),漫反射(diffuse),镜面反射(specular)。环境光是那些在环境中进行充分的散射,无法分辨方向的光,它似乎时来自所有方向的。漫反射来自某个方向,因此,如果它从正面照射表面,它看起来显得更亮一些,反之,如果它是斜着掠过表面,它看起来就显得暗一些,当它撞击到物体的表面的时候,它会均匀地向所有的方向发散。镜面光来自一个特定的方向,并且倾向于从表面某个特定的方向反射,当有一束激光从一面镜子上反弹回来时,它所产生的几乎是百分百的镜面反射光。
关于光照的原理及编程实现,可以参考另一篇文章:光线追踪(RayTracing)算法理论与实践(三)光照
单点光照下的漫反射着色
这里需要用到一个模型,来自stanford的兔子 - bunny,在文章的最后有下载,最好自己加载到blender里面再导出一遍,不然似乎没有法线信息。
程序实现的思路:
1)加载obj模型。
2)将顶点法线坐标存到VBO中,并作为参数传到shader中去。
3)在shader中定义关于光照以及MVP的Uniform变量。
4)在程序中设置uniform变量。
5)在定点shader中计算顶点位置和光照强度,在片段shader中对片段进行着色。
具体的代码实现如下。
首先在代码中添加一个ObjObject类,用来表示Obj模型类。
objobject.h
#ifndef OBJOBJECT_H#define OBJOBJECT_H#include "util.h"class ObjObject{ public: ObjObject(); ObjObject(const char * path); virtual ~ObjObject(); int getVerticesCount(); vector<glm::vec3> vertices; vector<glm::vec2> uvs; vector<glm::vec3> normals; protected: private:};#endif // TEAPOT_H
objobject.cpp
#include "objobject.h"ObjObject::ObjObject(){ //ctor}ObjObject::~ObjObject(){ //dtor}ObjObject::ObjObject(const char * path){ Util u; u.loadOBJ(path, this->vertices, this->uvs, this->normals);}int ObjObject::getVerticesCount(){ return this->vertices.size();}
接着就是在渲染中一步步实现上面提到的步骤了。
在initGL中对bunny进行初始化:
bunny = ObjObject("bunny.obj");
然后生成定点和法线相对应的 VAO,VBO,同时加载shader
void CGL::compileShader(){glGenVertexArrays(1, &VertexArrayID);glBindVertexArray(VertexArrayID);glGenBuffers(1, &vertexbuffer);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, bunny.vertices.size() * sizeof(glm::vec3), &bunny.vertices[0], GL_STATIC_DRAW);//glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 12 * sizeof(GLfloat), positionData, GL_STATIC_DRAW);// 1rst attribute buffer : verticesglEnableVertexAttribArray(0);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer);glVertexAttribPointer(0, // attribute3, // sizeGL_FLOAT, // typeGL_FALSE, // normalized?0, // stride(void*)0 // array buffer offset); GLuint normalbuffer;glGenBuffers(1, &normalbuffer);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, normalbuffer);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, bunny.normals.size() * sizeof(glm::vec3), &bunny.normals[0], GL_STATIC_DRAW);// 3rd attribute buffer : normalsglEnableVertexAttribArray(1);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, normalbuffer);glVertexAttribPointer(1, // attribute3, // sizeGL_FLOAT, // typeGL_FALSE, // normalized?0, // stride(void*)0 // array buffer offset); if( ! prog.compileShaderFromFile("shader/basic1.vert",GLSLShader::VERTEX) ) { printf("Vertex shader failed to compile!\n%s", prog.log().c_str()); exit(1); } if( ! prog.compileShaderFromFile("shader/basic1.frag",GLSLShader::FRAGMENT)) { printf("Fragment shader failed to compile!\n%s", prog.log().c_str()); exit(1); } prog.bindAttribLocation(0, "VertexPosition"); prog.bindAttribLocation(1, "VertexNormal"); if( ! prog.link() ) { printf("Shader program failed to link!\n%s", prog.log().c_str()); exit(1); } if( ! prog.validate() ) { printf("Program failed to validate!\n%s", prog.log().c_str()); exit(1); } prog.use();}
设置uniform变量:
void CGL::setUniform(){ mat4 model = mat4(1.0f); //model *= glm::rotate(model, -35.0f, vec3(1.0f,0.0f,0.0f)); // model *= glm::rotate(model, 35.0f, vec3(0.0f,1.0f,0.0f)); mat4 view = glm::lookAt(vec3(0.0f,5.0f,10.0f), vec3(-1.0f,2.0f,0.0f), vec3(0.0f,1.0f,0.0f)); mat4 projection = glm::perspective(45.0f, 4.0f / 3.0f, 0.1f, 100.0f); mat4 mv = view * model; prog.setUniform("Kd", 0.6f, 0.9f, 0.9f); prog.setUniform("Ld", 1.0f, 1.0f, 1.0f); prog.setUniform("LightPosition", view * vec4(-5.0f,20.0f,15.0f,1.0f) ); prog.setUniform("ModelViewMatrix", mv); prog.setUniform("NormalMatrix",mat3( vec3(mv[0]), vec3(mv[1]), vec3(mv[2]) )); prog.setUniform("MVP", projection * mv);}
顶点shader:
#version 400layout (location = 0) in vec3 VertexPosition; layout (location = 1) in vec3 VertexNormal; out vec3 LightIntensity;uniform vec4 LightPosition; // Light position in eye coords.uniform vec3 Kd; // Diffuse reflectivityuniform vec3 Ld; // Diffuse light intensityuniform mat4 ModelViewMatrix;uniform mat3 NormalMatrix;uniform mat4 MVP;void main(){vec3 tnorm = normalize(NormalMatrix * VertexNormal);vec4 eyeCoords = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0);vec3 s = normalize(vec3(LightPosition - eyeCoords));LightIntensity = Ld * Kd * max(dot(s,tnorm),0.0);gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0);}
片段shader:
#version 400in vec3 LightIntensity;out vec4 gl_FragColor;void main(void){gl_FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0);}
最后就是渲染了:
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, bunny.vertices.size() );
跳出渲染循环的时候,别忘了删除缓存内容:
void CGL::clean(){ glDeleteBuffers(1, &vertexbuffer);prog.deleteProgram();glDeleteVertexArrays(1, &VertexArrayID);}
运行结果如下:
ADS 着色(AmbientDiffuseSpecular Shading)
ADS就是上面提到的光照模型,也称做Phong reflection model 或者 Phong Shading model。这时候光照的计算模型就是:
主要需要修改的是顶点shader,在着色器中实现对光照效果的计算:
basic.vert
#version 400layout (location = 0) in vec3 VertexPosition; layout (location = 1) in vec3 VertexNormal; out vec3 LightIntensity;struct LightInfo{vec4 Position;vec3 La;vec3 Ld;vec3 Ls;};struct MaterialInfo{vec3 Ka;vec3 Kd;vec3 Ks;float Shininess;};uniform LightInfo Light;uniformMaterialInfo Material;uniform mat4 ModelViewMatrix;uniform mat3 NormalMatrix;uniform mat4 ProjectionMatrix;uniform mat4 MVP;void getEyeSpace(out vec3 norm, out vec4 position){norm = normalize(NormalMatrix * VertexNormal);position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0);}vec3 phongModel(vec4 position, vec3 norm){vec3 s = normalize(vec3(Light.Position - position));vec3 v = normalize(-position.xyz);vec3 r = reflect(-s, norm);vec3 ambient = Light.La * Material.Ka;float sDotN = max(dot(s, norm), 0.0);vec3 diffuse = Light.Ld * Material.Kd * sDotN;vec3 spec = vec3(0.0); if(sDotN >0.0)spec = Light.Ls * Material.Ks * pow(max(dot(r,v), 0.0), Material.Shininess);return ambient + diffuse + spec;}void main(){vec3 eyeNorm;vec4 eyePosition;getEyeSpace(eyeNorm, eyePosition);LightIntensity = phongModel(eyePosition, eyeNorm);gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0);//gl_Position = vec4( VertexPosition, 1.0);}
注意这里在shader中使用了function,使用的方式和c语言中非常相似,但是返回值的定义有些不同,而且不能有重复定义,即使在不同的作用域。
程序中只要设置好相关的uniform就可以了:
void CGL::setUniform(){ mat4 model = mat4(1.0f); mat4 view = glm::lookAt(vec3(0.0f,5.0f,10.0f), vec3(-1.0f,2.0f,0.0f), vec3(0.0f,1.0f,0.0f)); mat4 projection = glm::perspective(45.0f, 4.0f / 3.0f, 0.1f, 100.0f); mat4 mv = view * model; prog.setUniform("Material.Kd", 0.9f, 0.5f, 0.3f); prog.setUniform("Light.Ld", 1.0f, 1.0f, 1.0f); prog.setUniform("Material.Ka", 0.9f, 0.5f, 0.3f); prog.setUniform("Light.La", 0.4f, 0.4f, 0.4f); prog.setUniform("Material.Ks", 0.8f, 0.8f, 0.8f); prog.setUniform("Light.Ls", 1.0f, 1.0f, 1.0f); prog.setUniform("Material.Shininess", 100.0f); prog.setUniform("ModelViewMatrix", mv); prog.setUniform("NormalMatrix",mat3( vec3(mv[0]), vec3(mv[1]), vec3(mv[2]) )); prog.setUniform("MVP", projection * mv);}
渲染一下。
由于关于着色的计算是在顶点shader中完成的,所以也可以称为逐顶点着色(per-vertex lighting)。
双面着色 two-sided shading
当渲染的模型是完全封闭的时候,模型中所有面的背面都是不可见的,但是,如果模型有开口的话就比较麻烦了,渲染的结果很可能并不正确,因为面的法线并不正确。这时候就需要将法线反向,然后根据反向后的法线来计算光强。
直接渲染带洞的model,结果如下:
修改一下shader:
basic.vert
#version 400layout (location = 0) in vec3 VertexPosition; layout (location = 1) in vec3 VertexNormal; //out vec3 LightIntensity;out vec3 frontColor;out vec3 backColor;struct LightInfo{vec4 Position;vec3 La;vec3 Ld;vec3 Ls;};struct MaterialInfo{vec3 Ka;vec3 Kd;vec3 Ks;float Shininess;};uniform LightInfo Light;uniformMaterialInfo Material;uniform mat4 ModelViewMatrix;uniform mat3 NormalMatrix;uniform mat4 ProjectionMatrix;uniform mat4 MVP;void getEyeSpace(out vec3 norm, out vec4 position){norm = normalize(NormalMatrix * VertexNormal);position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0);}vec3 phongModel(vec4 position, vec3 norm){vec3 s = normalize(vec3(Light.Position - position));vec3 v = normalize(-position.xyz);vec3 r = reflect(-s, norm);vec3 ambient = Light.La * Material.Ka;float sDotN = max(dot(s, norm), 0.0);vec3 diffuse = Light.Ld * Material.Kd * sDotN;vec3 spec = vec3(0.0); if(sDotN >0.0)spec = Light.Ls * Material.Ks * pow(max(dot(r,v), 0.0), Material.Shininess);return ambient + diffuse + spec;}void main(){vec3 eyeNorm;vec4 eyePosition;getEyeSpace(eyeNorm, eyePosition);frontColor = phongModel(eyePosition, eyeNorm);backColor = phongModel(eyePosition, -eyeNorm);gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0);//gl_Position = vec4( VertexPosition, 1.0);}
basic.frag
#version 400//in vec3 LightIntensity;in vec3 frontColor;in vec3 backColor;out vec4 gl_FragColor;void main(void){if(gl_FrontFacing) gl_FragColor = vec4(frontColor, 1.0);else gl_FragColor = vec4(backColor, 1.0);}
在basic.vert中计算出内部和外部的片段颜色,然后在片段着色器中根据 gl_FrontFacing 来判断面是否为背面,然后分开着色,再渲染一下
平坦着色 flat shading
这个着色方式是想对于Gouraud Shading (高洛德着色/高氏着色)来说的。
Gouraud Shading 在游戏中使用最广泛的一种着色方式。它可对3D模型各顶点的颜色进行平滑、融合处理,将每个多边形上的每个点赋以一组色调值,同时将多边形着上较为顺滑的渐变色,使其外观具有更强烈的实时感和立体动感,不过其着色速度比平面着色慢得多。
在shader中要实现flat shading非常简单,只要在 in out 参数的前面加上flat关键字就可以了。
baisic .vert
......flat out vec3 LightIntensity;....
basic.frag
...flat in vec3 LightIntensity;...
渲染一下,对比两种效果:
相关下载
Stanford dragon
Stanford bunny
程序源码
参考
OpenGL 4.0 Shading Language Cookbook
OpenGL 编程指南
OpenGL Shading Language
- OpenGL进阶(十二) - 基础着色(Shading)
- OpenGL进阶(十二) - 基础着色(Shading)
- 【OpenGL ES系列教程三】着色语言 Shading Language(一)
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