计算机图形学

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艳圣经
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1 高级计算机图形学中国科学技术大学计算机学院黄章进

2 第十章之第四节 GLSL(III) 2

3 内容 OpenGL 与着色器的通信 attribute 变量 uniform 变量着色器示例顶点着色器片段着色器 3

4 连接着色器与 OpenGL 调用 glcreateshader 创建着色器对象调用 glshadersource 为着色器加载源代码调用 glcompileshader 编译每个着色器调用 glcreateprogram 创建程序对象调用 glattachshader 把着色器对象连接到程序对象调用 gllinkprogram 链接程序对象, 生成可执行程序调用 gluseprogram 安装可执行程序替换 OpengGL 固定功能流水线处理模块用 uniform 和 attribute 变量在应用程序和着色器间通信 4

5 应用程序 -> 着色器通信 OpenGL 应用程序有两种方式向着色器发送值使用内置和用户定义的全局变量 uniform 变量 attribute 变量使用纹理纹理可解释为图像或数据数组 5

6 内置顶点属性内置顶点属性 gl_color /gl_normal /gl_vertex 等 glbegin/glend 间用 glcolor /glnormal /glvertex 等函数指定顶点数组方式 6

7 活动属性变量活动 (active) 属性变量 : 由编译器和链接器决定的顶点着色器执行时会访问的属性仅只声明从不使用的是非活动属性程序对象链接失败, 如果活动的内置和自定义属性数目多于 GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS (16) 7

8 自定义顶点属性当程序对象成功链接后, 链接器生成一张活动属性变量名表用 glgetattriblocation 查询活动属性变量的内存位置在 glbegin/glend 间调用 glvertexattrib 给属性变量置值, 或通过 glvertexattribpointer 和 glenablevertexattribarray 来使用顶点数组 8

9 获取属性变量的索引 GLint glgetattriblocation(gluint program, const GLchar *name); 返回上一次链接时绑定到程序对象 program 中活动属性变量 name 的索引如果 name 不是 program 的一个活动属性变量, 或是内置属性变量 ( 以 gl_ 开头 ), 返回 -1 如果 name 是活动属性矩阵, 返回矩阵第一列的索引后一列的索引为前一列的索引加 1 9

10 显式绑定索引 void glbindattriblocation(gluint program, GLuint index, const GLchar *name); 指定下一次链接时绑定到程序对象 program 中属性变量 name 的索引为 index 如果 name 是内置属性变量 ( 以 gl_ 开头 ), 产生一个 GL_ INVALID_OPERATION 错误如果 name 之前绑定过, 则索引被 index 替换如果 name 是属性矩阵,index 绑定到第一列 index 取值 [0, GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS-1] 程序成功链接后, 绑定才生效 10

11 设置顶点属性的值 void glvertexattrib{1234}{sfd}(gluint index, TYPE values); void glvertexattrib{1234}{sfd}v(gluint index, const TYPE *values); void glvertexattrib4{bsifd ubusui}v(gluint index, const TYPE *values); 设置索引为 index 的属性变量 (vec4) 的值如果没有显式设置所有 4 个值,y 和 z 默认为 0.0,w 为 1.0 设置 n(=2,3,4) 列矩阵的属性值, 需要调用 n 次 glvertexattrib*() 分别为每一列加载值属性 0 对应于内置属性 gl_vertex, 从而调用 glvertex 和以索引为 0 调用 glvertexattrib 等价 11

12 例子顶点着色器中 : attribute float height; OpenGL 中 : GLint loc = glgetattriblocation(p,"height"); glbegin(gl_triangle_strip); glvertexattrib1f(loc,2.0); glvertex2f(-1,1); glvertexattrib1f(loc,2.0); glvertex2f(1,1); glvertexattrib1f(loc,-2.0); glvertex2f(-1,-1); glvertexattrib1f(loc,-2.0); glvertex2f(1,-1); glend(); 12

13 顶点属性数组 void glvertexattribpointer(gluint index, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride, const GLvoid *pointer); 为索引值为 index 的属性变量的数组指定位置 pointer 和数据格式 void glenablevertexattribarray(gluint index) void gldisablevertexattribarray(gluint index) 启用 / 禁用属性 index 的顶点属性数组启用后, 就可用 gldrawarrays() 等来为顶点属性变量加载值 13

14 例子顶点着色器中 : attribute float height; OpenGL 中 : float vertices[8] = {-1,1, 1,1, -1,-1, 1,-1}; float heights[4] = {2,2,-2,-2}; GLint loc = glgetattriblocation(p,"height"); glenableclientstate(gl_vertex_array); glenablevertexattribarray(loc); glvertexpointer(2,gl_float,0,vertices); glvertexattribpointer(loc,1,gl_float,0,0,heights); 14

15 一致 (uniform) 变量一致变量的值在图元 / 帧 / 场景内保持不变内置 : 变换矩阵裁剪平面光源材料雾用户定义活动一致变量 : 由编译器和链接器决定的着色器执行时会访问的一致变量程序对象链接失败, 如果活动的内置和自定义一致变量数目多于 GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_COMPONENTS (512) 15

16 指定一致变量当程序对象成功链接后, 链接器生成一张活动一致变量名表, 变量初值置为 0(GL_FALSE) 用 glgetuniformlocation 查询活动一致变量的内存位置调用 gluniform 给一致变量加载值不同于属性变量, 一致变量的位置 ( 索引 ) 不能显式指定 16

17 获取一致变量的索引 GLint glgetuniformlocation(gluint program, const GLchar *name); 返回上一次链接时绑定到程序对象 program 中活动一致变量 name 的索引如果 name 不是 program 的一个活动一致变量, 或是保留一致变量 ( 以 gl_ 开头 ), 返回 -1 name 不能是结构结构数组向量 / 矩阵的部分对结构和数组, 在 name 里用. 和 [] 来指定结构字段和数组元素数组第一个元素的位置可在 name 中用数组名或数组名加 [0] 获取 17

18 设置一致变量的值 void gluniform{1234}{if}( GLint location, TYPE values ); void gluniform{1234}{if}v( GLint location, GLsizei count, const TYPE *values ); void gluniformmatrix{234}fv( GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose, const GLfloat *values ); void gluniformmatrix{2x3,3x2,2x4,4x2,3x4,4x3}fv( GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose, const GLfloat *values ); 设置当前使用程序对象在位置 location 的一致变量的值 18

19 设置一致变量的值向量形式把 count 组值加载到 uniform 数组的 location 位置开始的 count 个元素这里,location 不是数组元素下标矩阵形式中的 transpose 为 GL_TURE 表示 values 按行主序指定 ; 否则, 按列主序指定上述函数可用于加载布尔型变量, 自动转换类型当函数名指定的大小和类型 ( 除去布尔型 ) 和着色器中声明的 uniform 变量不匹配时, 报错当 count>1, 而着色器中声明的 uniform 变量不是数组时, 报错 19

20 例子着色器中 : uniform float specintensity; uniform vec4 speccolor; uniform float t[2]; uniform vec4 colors[3]; 20

21 例子 ( 续 ) OpenGL 中 : GLint loc1,loc2,loc3,loc4; float specintensity = 0.98; float sc[4] = {0.8,0.8,0.8,1.0}; float threshold[2] = {0.5,0.25}; float colors[12] = {0.4,0.4,0.8,1.0, 0.2,0.2,0.4,1.0, 0.1,0.1,0.1,1.0}; loc1 = glgetuniformlocation(p,"specintensity"); gluniform1f(loc1, specintensity); loc2 = glgetuniformlocation(p,"speccolor"); gluniform4fv(loc2, 1, sc); loc3 = glgetuniformlocation(p,"t"); gluniform1fv(loc3, 2, threshold); loc4 = glgetuniformlocation(p,"colors"); gluniform4fv(loc4, 3, colors); 21

22 uniform 向量和数组着色器中 : uniform vec4 speccolor; uniform float t[2]; OpenGL 中 : GLint loc1,loc2,loc3; float sc[4] = {0.8,0.8,0.8,1.0}; float threshold[2] = {0.5,0.25}; loc2 = glgetuniformlocation(p,"speccolor"); gluniform4f(loc2, sc[0], sc[1], sc[2], sc[3]); // gluniform4fv(loc2, 1, sc); /* 等价形式 */ loct0 = glgetuniformlocation(p, "t[0]"); gluniform1f(loct0, threshold[0]); loct1 = glgetuniformlocation(p, "t[1]"); gluniform1f(loct1, threshold[1]); 22

23 着色器示例顶点着色器波动渐变粒子系统非真实感着色 Phong 光照片段着色器 Phong 光照环境映射凹凸映射 23

24 波动顶点着色器 uniform float time; uniform float xs, zs, // frequencies uniform float h; // height scale void main() { vec4 t = gl_vertex; t.y = gl_vertex.y + h*sin(time + xs*gl_vertex.x) + h*sin(time + zs*gl_vertex.z); gl_position = gl_modelviewprojectionmatrix*t; } attribute 变量和 uniform 变量在顶点着色器内只读 24

25 Glint timeparam; timeparam = glgetuniformlocation(program, "time"); void idle() { gluniform1f(timeparam, (GLfloat) glutget(glut_elapsed_time)); glutpostredisplay(); } 25

26 渐变 (morphing) 效果渐变 : 一个物体平滑地变换到另一个物体假设两个物体的顶点有一一对应关系顶点着色器需要输出一个由对应顶点对插值得到的顶点 26

27 一个顶点通过 gl_vertex 传入, 对应顶点用顶点属性变量传入 attribute vec4 vertices2; uniform float time; void main() { float s = 0.5*(1.0+sin(0.001*time)); vec4 t = mix(gl_vertex, vertices2, s); gl_position = gl_modelviewprojectionmatrix*t; gl_frontcolor = gl_color; } mix(x, y, a) 返回 x * (1.0-a) + y * a 27

28 GLint vertices2param; vertices2param = glgetattriblocation(program, "vertices2"); #define N 50 GLfloat vertices_one[n][3], vertices_two[n][3]; glbegin(gl_triangles); for (int i = 0; i < N; i++) { glvertexattrib3fv(vertices2param, vertices_two[i]); glvertex3fv(vertices_one[i]); } glend(); 28

29 粒子 (particle) 系统粒子系统的基本思想 : 用真实或自定义物理规律来控制粒子的运动每一时间步, 要为每个粒子确定一个新位置考虑符合牛顿定律的质点, 质量为 m, 初始位置为 (x 0,y 0,z 0 ), 初始速度为 (v x,v y,v z ), 重力加速度为 g, 则在 t 时刻的位置为 x(t) = x 0 + v x t, y(t) = y 0 + v y t + g t 2 / (2m), z(t) = z 0 + v z t. 29

30 attribute vec3 vel; // 初始速度 uniform float g, m, t; void main() { vec3 object_pos; object_pos.x = gl_vertex.x + vel.x * t; object_pos.y = gl_vertex.y + vel.y * t + g/(2.0*m)*t*t; object_pos.z = gl_vertex.z + vel.z * t; gl_position = gl_modelviewprojectionmatrix * vec4(object_pos,1); } 30

31 非真实感着色根据光线和法向的夹角给对象赋两种颜色根据视线和方向的夹角把对象轮廓赋为黑色 const vec4 yellow = vec4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0); const vec4 red = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); const vec4 black = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); if(dot(l, N) > 0.5) gl_frontcolor = yellow; else gl_frontcolor = red; if(abs(dot(e, N)) < 0.1) glfrontcolor = black; 31

32 Phong 光照模型 I =k d I d I =k d I d l n + k s I s (r v ) α + k a I a l n + k s I s (n h ) β + k a I a 32

33 内置 uniform 变量 struct gl_lightsourceparameters { vec4 ambient; // Acli vec4 diffuse; // Dcli vec4 specular; // Scli vec4 position; // Ppli vec4 halfvector; // Derived: Hi vec3 spotdirection; // Sdli float spotexponent; // Srli float spotcutoff; // Crli // (range: [0.0,90.0], 180.0) float spotcoscutoff; // Derived: cos(crli) // (range: [1.0,0.0],-1.0) float constantattenuation; // K0 float linearattenuation; // K1 float quadraticattenuation; // K2 }; uniform gl_lightsourceparameters gl_lightsource[gl_maxlights]; 33

34 struct gl_lightmodelparameters { vec4 ambient; // Acs }; uniform gl_lightmodelparameters gl_lightmodel; struct gl_materialparameters { vec4 emission; // Ecm vec4 ambient; // Acm vec4 diffuse; // Dcm vec4 specular; // Scm float shininess; // Srm }; uniform gl_materialparameters gl_frontmaterial; uniform gl_materialparameters gl_backmaterial; 34

35 Phong 光照光源位置 gl_lightsource[i].position 在视点坐标系中给出视点在视点坐标系的原点 N: 视点坐标系中的法向量 L: 视点坐标系中的顶点到光源向量 ( 光线 ) E: 视点坐标系中的顶点到视点向量 ( 视线 ) R: 视点坐标系中的理想反射向量 H: 视点坐标系中 L 和 E 的中值向量 35

36 改进的 Phong 顶点着色器 I void main(void) /* modified Phong vertex shader (without distance term) */ { gl_position = gl_modelviewprojectionmatrix * gl_vertex; vec4 ambient, diffuse, specular; vec4 eyeposition = gl_modelviewmatrix * gl_vertex; vec4 eyelightpos = gl_lightsource[0].position; vec3 N = normalize(gl_normalmatrix * gl_normal); vec3 L = normalize(eyelightpos.xyz - eyeposition.xyz); vec3 E = -normalize(eyeposition.xyz); vec3 H = normalize(l + E); 36

37 改进的 Phong 顶点着色器 II /* compute diffuse, ambient, and specular contributions */ float f = 1.0; float Kd = max(dot(l, N), 0.0); float Ks = pow(max(dot(n, H), 0.0), gl_frontmaterial.shininess); if (dot(l,n) < 0.0) f = 0.0; ambient = gl_frontlightproduct[0].ambient; diffuse = Kd*gl_FrontLightProduct[0].diffuse; specular = f*ks*gl_frontlightproduct[0].specular; } gl_frontcolor = ambient+diffuse+specular; 37

38 基于片段的 Phong 光照利用 varying 变量把属性从顶点着色器传递到片断着色器法向量 N 光线向量 L 视线向量 E 38

39 基于片段光照的顶点着色器 varying vec3 N, L, E; void main() { gl_position = gl_modelviewprojectionmatrix * gl_vertex; vec4 eyeposition = gl_modelviewmatrix * gl_vertex; vec4 eyelightpos = gl_lightsource[0].position; } N = normalize(gl_normalmatrix * gl_normal); L = normalize(eyelightpos.xyz - eyeposition.xyz); E = -normalize(eyeposition.xyz); 39

40 改进 Phong 光照片段着色器 I varying vec3 N; varying vec3 L; varying vec3 E; void main() { vec3 Normal = normalize(n); vec3 Light = normalize(l); vec3 Eye = normalize(e); vec3 Half = normalize(eye + Light); 40

41 改进 Phong 光照片段着色器 II float f = 1.0; float Kd = max(dot(normal, Light), 0.0); float Ks = pow(max(dot(half, Normal), 0.0), gl_frontmaterial.shininess); vec4 diffuse = Kd * gl_frontlightproduct[0].diffuse; if (dot(normal, Light) < 0.0) f = 0.0; vec4 specular = f * Ks * gl_frontlightproduct[0].specular; vec4 ambient = gl_frontlightproduct[0].ambient; } gl_fragcolor = ambient + diffuse + specular; 41

42 效果对比逐顶点光照逐片段光照 42

43 采样器 (Samplers) 提供对纹理对象的访问定义了 1, 2, 和 3 维纹理以及立方体贴图的采样器在着色器中 : uniform sampler2d mytexture; vec2 texcoord; vec4 texcolor = texture2d(mytexture, texcoord); 在应用程序中 : texmaplocation = glgetuniformlocation(myprog, mytexture ); gluniform1i(texmaplocation, 0); /* assigns to texture unit 0 */ 43

44 片段着色器的应用纹理映射平滑明暗环境映射凹凸映射 44

45 立方体贴图用六张 2D 纹理图组成立方图纹理 OpenGL 支持立方体贴图 GLSL 通过立方图采采样器来支持 vec4 texcolor = texturecube(mycube, texcoord); 纹理坐标必须是 3D 的 45

46 立方图纹理示例 46

47 环境映射用反射向量在立方图中定位纹理 47

48 用着色器实现环境映射通常在世界坐标系中计算环境映射, 由于模型矩阵的作用, 世界坐标系可能会不同于对象坐标系对象的位置和法向在对象坐标系中指定把模型矩阵作为 uniform 变量传递给着色器也可用于反射贴图或折射贴图 ( 例如模拟水 ) 48

49 反射贴图顶点着色器 varying vec3 R; void main(void) { gl_position = gl_modelviewprojectionmatrix*gl_vertex; vec3 N = normalize(gl_normalmatrix*gl_normal); vec4 eyepos = gl_modelviewmatrix*gl_vertex; R = reflect(-eyepos.xyz, N); } 49

50 反射贴图片段着色器 varying vec3 R; uniform samplercube texmap; void main(void) { gl_fragcolor = texturecube(texmap, R); } 50

51 凹凸映射对每个片段扰动法向把扰动存储为纹理 51

52 第 4 次作业 :GLSL 着色器网格显示 : 可对网格进行交互式观察顶点变换动画 : 用顶点着色器实现例如波动效果的网格基于片段的 Phong 明暗处理 : 有距离衰减项, 可考虑实现不同类型光源 ( 方向光点光源聚光灯 ) 技术 + 创意前提交 52

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高级计算机图形学中国科学技术大学计算机学院黄章进 [email protected] 第十章之第二节 GLSL(I) 内容着色器应用程序顶点着色器片段着色器着色器编程 OpenGL 端的着色语言 API 顶点着色器应用顶点的移动变形 (morphing) 波动分形光照更真实的模型卡通着色器片段着色器应用逐片段进行光照计算逐顶点光照计算逐片段光照计算片段着色器应用