OpenGL進階(十二) - 基礎著色（Shading）

提要

經過前面的關于GLSL基礎學習，可以參考OpenGL進階專欄中的一些文章。

接下來的內容將會非常的有意思，比如全局光照，環境貼圖，法線貼圖，景深....是不是聽著就很棒！想要學習的話，當然需要付出更多的努力！不過一切都是值得的。

今天的內容主要是關于光照的一些基礎著色。

        在光照模型中，光照主要由三部分組成：環境光（ambient），漫反射（diffuse），鏡面反射（specular）。環境光是那些在環境中進行充分的散射，無法分辨方向的光，它似乎時來自所有方向的。漫反射來自某個方向，因此，如果它從正面照射表面，它看起來顯得更亮一些，反之，如果它是斜著掠過表面，它看起來就顯得暗一些，當它撞擊到物體的表面的時候，它會均勻地向所有的方向發散。鏡面光來自一個特定的方向，并且傾向于從表面某個特定的方向反射，當有一束激光從一面鏡子上反彈回來時，它所產生的幾乎是百分百的鏡面反射光。

關于光照的原理及編程實現，可以參考另一篇文章：光線追蹤(RayTracing)算法理論與實踐(三)光照

單點光照下的漫反射著色

這里需要用到一個模型，來自stanford的兔子 - bunny，在文章的最后有下載，最好自己加載到blender里面再導出一遍，不然似乎沒有法線信息。

程序實現的思路：

1）加載obj模型。

2）將頂點法線坐標存到VBO中，并作為參數傳到shader中去。

3）在shader中定義關于光照以及MVP的Uniform變量。

4）在程序中設置uniform變量。

5）在定點shader中計算頂點位置和光照強度，在片段shader中對片段進行著色。

具體的代碼實現如下。

首先在代碼中添加一個ObjObject類，用來表示Obj模型類。

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 

#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(); } 

在initGL中對bunny進行初始化：

 bunny = ObjObject("bunny.obj");

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 : vertices 		glEnableVertexAttribArray(0); 		glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer); 		glVertexAttribPointer( 			0,                  // attribute 			3,                  // size 			GL_FLOAT,           // type 			GL_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 : normals 		glEnableVertexAttribArray(1); 		glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, normalbuffer); 		glVertexAttribPointer( 			1,                                // attribute 			3,                                // size 			GL_FLOAT,                         // type 			GL_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(); } 

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);  } 

#version 400 layout (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 reflectivity uniform vec3 Ld;            // Diffuse light intensity  uniform 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); }

#version 400  in vec3 LightIntensity; out vec4 gl_FragColor;  void main(void) { 	gl_FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0); }

glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, bunny.vertices.size() );

void CGL::clean() {     glDeleteBuffers(1, &vertexbuffer); 	prog.deleteProgram(); 	glDeleteVertexArrays(1, &VertexArrayID); } 

ADS 著色（AmbientDiffuseSpecular Shading）

         ADS就是上面提到的光照模型，也稱做Phong reflection model 或者 Phong Shading model。這時候光照的計算模型就是：

主要需要修改的是頂點shader，在著色器中實現對光照效果的計算：

basic.vert

#version 400 layout (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; uniform	MaterialInfo 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); }

程序中只要設置好相關的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);  }

由于關于著色的計算是在頂點shader中完成的，所以也可以稱為逐頂點著色（per-vertex lighting）。

雙面著色 two-sided shading

        當渲染的模型是完全封閉的時候，模型中所有面的背面都是不可見的，但是，如果模型有開口的話就比較麻煩了，渲染的結果很可能并不正確，因為面的法線并不正確。這時候就需要將法線反向，然后根據反向后的法線來計算光強。

        直接渲染帶洞的model，結果如下：

修改一下shader：

basic.vert

#version 400 layout (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; uniform	MaterialInfo 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); }

#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); }

平坦著色 flat shading

        這個著色方式是想對于Gouraud Shading (高洛德著色/高氏著色)來說的。

         Gouraud Shading 在游戲中使用最廣泛的一種著色方式。它可對3D模型各頂點的顏色進行平滑、融合處理，將每個多邊形上的每個點賦以一組色調值，同時將多邊形著上較為順滑的漸變色，使其外觀具有更強烈的實時感和立體動感，不過其著色速度比平面著色慢得多。

         在shader中要實現flat shading非常簡單，只要在 in out 參數的前面加上flat關鍵字就可以了。

baisic .vert

...... flat out vec3 LightIntensity; ....

... flat in vec3 LightIntensity; ...

 相關下載

Stanford dragon

Stanford bunny

程序源碼

參考

OpenGL 4.0 Shading Language Cookbook

OpenGL 編程指南

OpenGL Shading Language