【OpenGL】GLSL-双面渲染技术(Two-sided rendering)

当我们渲染一个完全封闭的物体的时候，多边形的背面都是隐藏的，我们无法看见。但是如果这个物体有一些空洞，那么一些背面就可以被看见了。然而因为这些多边形的法向量的方向在这个时候不是正确的，所以会渲染出错误的结果。为了合理的渲染这些背面，我们必须反转法向量，然后基于这些反转的法向量来计算光照。

下图显示了一个采用Phong光照模型绘制茶壶使用双面渲染与否的结果对比：

图一 使用双面渲染与不使用的效果对比

一、固定管线OpenGL实现双面渲染

在固定管线中，我们需要用一个函数来启用双面光照：

glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE,GL_TRUE);

这样，OpenGL将会反转表面的法线的方向，表示背面多边形的法线。

实例：

[cpp] view plaincopyprint?

1. void GLWidget::initLight()  
2. {  
3.     GLfloat light_ambient[]={0.7,0.8,0.9,1.0};     
4.     GLfloat light_diffuse[]={1.0,1.0,1.0,1.0};     
5.     GLfloat light_specular[]={1.0,1.0,1.0,1.0};     
6.     GLfloat light_position[]={2.0,2.0,2.0,0.0};  
7.     GLfloat mat_diffuse[]={0.8,0.8,0.8,1.0};   
8.   
9.     glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient);     
10.     glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light_diffuse);     
11.     glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPECULAR,light_specular);     
12.     glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);   
13.   
14.     glEnable(GL_LIGHTING);  
15.     glEnable(GL_LIGHT0);  
16.     glEnable(GL_AUTO_NORMAL);  
17.     glEnable(GL_NORMALIZE);  
18.     //glEnable(GL_CULL_FACE);  
19.     //启用双面光照  
20.     glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE,GL_TRUE);  
21.     glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_DIFFUSE,mat_diffuse);    
22. }  

void GLWidget::initLight(){GLfloat light_ambient[]={0.7,0.8,0.9,1.0};   GLfloat light_diffuse[]={1.0,1.0,1.0,1.0};   GLfloat light_specular[]={1.0,1.0,1.0,1.0};   GLfloat light_position[]={2.0,2.0,2.0,0.0};GLfloat mat_diffuse[]={0.8,0.8,0.8,1.0}; glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient);   glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light_diffuse);   glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPECULAR,light_specular);   glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position); glEnable(GL_LIGHTING);glEnable(GL_LIGHT0);glEnable(GL_AUTO_NORMAL);glEnable(GL_NORMALIZE);//glEnable(GL_CULL_FACE);//启用双面光照glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE,GL_TRUE);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_DIFFUSE,mat_diffuse);  }

效果：

二、可编程管线OpenGL实现双面渲染

假设我们的光照（采用Phong光照模型）计算是基于顶点的。在顶点着色器中，我们需要为每个顶点分别计算两次：front face和back face。两次计算采用的法向量不同。

[cpp] view plaincopyprint?

1. #version 400  
2.   
3. layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;  
4. layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;  
5.   
6. out vec3 FrontColor;  
7. out vec3 BackColor;  
8.   
9. struct LightInfo{  
10.     vec4 Position;  
11.     vec3 La;  
12.     vec3 Ld;  
13.     vec3 Ls;  
14. };  
15. uniform LightInfo Light;  
16.   
17. struct MaterialInfo{  
18.     vec3 Ka;  
19.     vec3 Kd;  
20.     vec3 Ks;  
21.     float Shininess;  
22. };  
23. uniform MaterialInfo Material;  
24.   
25. uniform mat4 ModelViewMatrix;  
26. uniform mat3 NormalMatrix;  
27. uniform mat4 ProjectionMatrix;  
28. uniform mat4 MVP;  
29.   
30. //转化到视空间   
31. void getEyeSpace(out vec3 tnorm,out vec4 eyeCoords)  
32. {  
33.     //convert normal and position to eye coords  
34.     tnorm = normalize(NormalMatrix * VertexNormal);  
35.     eyeCoords = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition,1.0);  
36. }  
37.   
38. //计算Phong光照模型   
39. vec3 phongModel(vec4 eyeCoords,vec3 tnorm)  
40. {  
41.     vec3 s = normalize(vec3(Light.Position - eyeCoords));  
42.     vec3 v = normalize(-eyeCoords.xyz);  
43.     vec3 r = reflect(-s,tnorm);  
44.   
45.     vec3 ambient = Light.La * Material.Ka;  
46.   
47.     float sDotN = max(dot(s,tnorm),0.0);  
48.     vec3 diffuse = Light.Ld * Material.Kd * sDotN;  
49.   
50.     vec3 specular = vec3(0.0);  
51.     if(sDotN > 0)  
52.         specular = Light.Ls * Material.Ks *   
53.                     pow(max(dot(r,v),0.0),Material.Shininess);  
54.   
55.     return (ambient + diffuse + specular);  
56. }  
57.   
58. void main()  
59. {  
60.     vec3 tnorm;  
61.     vec4 eyeCoords;  
62.     getEyeSpace(tnorm,eyeCoords);  
63.     FrontColor = phongModel(eyeCoords,tnorm);  
64.     BackColor = phongModel(eyeCoords,-tnorm);  
65.   
66.     gl_Position = MVP * vec4(VertexPosition,1.0);  
67. }  

#version 400layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;out vec3 FrontColor;out vec3 BackColor;struct LightInfo{vec4 Position;vec3 La;vec3 Ld;vec3 Ls;};uniform LightInfo Light;struct MaterialInfo{vec3 Ka;vec3 Kd;vec3 Ks;float Shininess;};uniform MaterialInfo Material;uniform mat4 ModelViewMatrix;uniform mat3 NormalMatrix;uniform mat4 ProjectionMatrix;uniform mat4 MVP;//转化到视空间void getEyeSpace(out vec3 tnorm,out vec4 eyeCoords){//convert normal and position to eye coordstnorm = normalize(NormalMatrix * VertexNormal);eyeCoords = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition,1.0);}//计算Phong光照模型vec3 phongModel(vec4 eyeCoords,vec3 tnorm){vec3 s = normalize(vec3(Light.Position - eyeCoords));vec3 v = normalize(-eyeCoords.xyz);vec3 r = reflect(-s,tnorm);vec3 ambient = Light.La * Material.Ka;float sDotN = max(dot(s,tnorm),0.0);vec3 diffuse = Light.Ld * Material.Kd * sDotN;vec3 specular = vec3(0.0);if(sDotN > 0)specular = Light.Ls * Material.Ks * pow(max(dot(r,v),0.0),Material.Shininess);return (ambient + diffuse + specular);}void main(){vec3 tnorm;vec4 eyeCoords;getEyeSpace(tnorm,eyeCoords);FrontColor = phongModel(eyeCoords,tnorm);BackColor = phongModel(eyeCoords,-tnorm);gl_Position = MVP * vec4(VertexPosition,1.0);}

在片断着色器中，我们根据关键字gl_FrontFacing的值来为片断赋予颜色值。

gl_FrontFacing是GLSL内置的关键字，它代表图元是面向光源还是背向光源。

片断着色器 twosided.frag：

[cpp] view plaincopyprint?

1. #version 400  
2.   
3. in vec3 FrontColor;  
4. in vec3 BackColor;  
5.   
6. layout (location = 0) out vec4 FragColor;  
7.   
8. void main()  
9. {  
10.     if(gl_FrontFacing)  
11.     {  
12.         FragColor = vec4(FrontColor,1.0);  
13.     }  
14.     else  
15.     {  
16.         FragColor = vec4(BackColor,1.0);  
17.     }  
18. }  

#version 400in vec3 FrontColor;in vec3 BackColor;layout (location = 0) out vec4 FragColor;void main(){if(gl_FrontFacing){FragColor = vec4(FrontColor,1.0);}else{FragColor = vec4(BackColor,1.0);}}