计算机图形学理论(3):着色器编程

本系列根据国外一个图形小哥的讲解为本,整合互联网的一些资料,结合自己的一些理解。

CPU vs GPU

CPU支持:

  • 快速缓存
  • 分支适应性
  • 高性能

GPU支持:

  • 多个 ALU
  • 快速板载内存
  • 并行任务的高吞吐量(在每个片段、顶点上执行着色器程序)

CPU 是更复杂的计算单元,因为它具有大量指令来支持各种功能。而GPU以SIMD方式工作(单指令多数据),它擅长使用数千个核心以并行方式处理大量数据。综上所述,CPU 非常适合任务并行性,GPU 非常适合数据并行。

渲染管线比较

固定管线可编程管线
左侧的固定管线提供了固定的渲染管道,光栅化后有固定的方式处理顶点和片段。而可编程管道使我们能够灵活地控制顶点和片段处理器。

顶点处理器的输入/输出

作为输入数据,每个顶点中存储有颜色、法线、位置、纹理坐标和其他数据。

纹理数据是着色器变量,通常尺寸较大且速度较慢。

模型视图矩阵、材质和光照都是uniform变量,这些由所有顶点共享。
image.png

片段处理器的输入/输出

大多数输入数据来自顶点处理器。

例如,当我们想要使用 Gouraud 着色渲染场景时,我们应该在顶点着色器中为每个片段插入颜色因子。然后,在片段着色器中,我们只需将计算出的颜色分配给每个片段。
image.png

着色器如何通信?

  • uniform参数:在整个执行过程中设置。
  • attribute参数:为每个顶点设置。
  • varying参数:从顶点着色器传递到片段着色器(例如逆转换法线)。对于不同的参数,两个处理器中使用相同的变量名称。

image.png

如何编写着色器

在现代openGL中,我们应该在着色器程序中编写光照处理逻辑。与简单着色方法相关,有两种着色方式:

  • 逐顶点着色(gouraud 着色)

通过这种方式,我们计算顶点着色器内部的照明,然后将varying参数传递给片段着色器。

  • 逐片段着色(phong 着色)

在片段着色中,对每个顶点的法线进行插值,然后通过将发现作为varying参数在片段着色器中计算照明。

归一化

照明计算可以使用法线向量和光方向向量的点积来计算。

我们可以采用单位向量来简化计算,因为两个向量归一化后点积的结果等于余弦项。

由于经过各种变换,向量的长度并不总是相同。所以在这种情况下我们需要不断地对向量进行归一化。
image.pngimage.png
在右侧图像中,解释了如何获取三角形的法向量。

假设我们知道组成三角形的三个点,我们可以通过点相减得到三角形边的两个向量。然后,如果我们对顺时针方向的两个边向量进行叉积,我们可以得到一个与三角形表面正交的向量。经过归一化,最终我们得到了三角形的法向量。

2. 指定光源(静态)

对于每个光源,我们可以设置一个RGBA。

vec4 diffuse0 = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
vec4 ambient0 = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
vec4 specular0= vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
vec4 light_pos = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 1.0);

image.png
局部 BRDF 照明模型遵循此方程。

根据光源的类型,我们需要不同地计算照度。
image.png

3. 移动光源

光源是其位置或方向受模型视图矩阵影响的几何对象。

如果我们将灯安装在汽车上,光源就会随着汽车移动。 (需要更新位置)
image.png

4. 材质属性

根据材质属性,相同的照明可以以不同的方式表示。

5. 背面可见性

大多数情况下,物体是不透明的,无法看到物体的背面。

但是,如果一个物体具有像镜子一样的透明面,则背面的法线向量将变得与正面的方向相似。也就是说,它是可见的。

我们也可以在着色器中处理这个问题。
image.png

Shader程序示例(Gouraud着色)

  • 顶点着色器
in vec4 vPosition; 
in vec3 vNormal;
//using vPosition & vNormal attribute, we calculate this
out vec4 color; // vertex shade// light and material properties
uniform vec4 ambientProduct, diffuseProduct, specularProduct
uniform mat4 modelView
uniform mat4 projection;
uniform vec4 lightPos;
uniform float shininess;void main() 
{// Transform vertex position into eye coordinates.vec3 pos = (modelView * vPosition).xyz; // swizzling component;vec3 L = normalize(lightPos.xyz - pos);vec3 E = normalize(-pos);vec3 H = normalize(L+E);// Transform vertex normal into eye coordinatesvec3 N = normalize(ModelView * vec4(vNormal, 0.0).xyz);// compute terms in illumination equation.// assume no atteunationfloat kd = max(dot(N,L), 0.0);vec4 diffuse = kd * diffuseProduct;float ks = pow(max(dot(N,H),0.0), shininess); // simplified phong modelvec4 specular = ks * specularProduct;if(dot(L,N) < 0.0) specular = vec4(0.0,0.0,0.0, 1.0);// gl_Position is built-in uniform variablegl_Position = projection * modelView * vPosition;// output.color = ambientProduct + diffuse + specular;color.a = 1.0;}
  • 片段着色器
in vec4 color;void main()
{gl_FragColor = color;
}

着色器中的纹理映射

应用纹理的三个基本步骤:

  1. 在应用程序中指定纹理
  • 读取或生成图像(例如读取png文件,自己生成深度图)
  • 将其分配给纹理(此处应用最近邻/线性插值/MipMap 算法)
  • 启用纹理
  1. 给顶点指定纹理坐标

image.png

  1. 指定纹理参数(包裹wrapping、过滤filtering)

纹理如何映射到对象?

在 UV 坐标中,每个颜色信息都是针对每个位置定义的。

根据我们设置的纹理坐标,映射到相应的UV坐标并得到它的颜色。
image.png

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