设计师网站赚钱,icp网站备案,桃浦做网站,wordpress分类推荐提示#xff1a;Shader属于GPU编程#xff0c;难写难调试#xff0c;阅读本文需有一定的OpenGL基础#xff0c;可以写简单的Shader#xff0c;不适合不会OpenGL的朋友 一、Blinn-Phong光照模型
Blinn-Phong光照模型#xff0c;又称为Blinn-phong反射模型#xff08;Bli… 提示Shader属于GPU编程难写难调试阅读本文需有一定的OpenGL基础可以写简单的Shader不适合不会OpenGL的朋友 一、Blinn-Phong光照模型
Blinn-Phong光照模型又称为Blinn-phong反射模型Blinn–Phong reflection model或者 phong 修正模型modified Phong reflection model是由 Jim Blinn于 1977 年在文章中对传统 phong 光照模型基础上进行修改提出的。它是一个经验模型并不完全符合真实世界中的光照现象但由于实现起来简单方便并且计算速度和得到的效果都还不错因此在早期被广泛的使用。 相对于Phong模型Blinn-Phong是对高光部分进行简化计算对于环境光、漫反射计算是一样的。环境光、漫反射一般处理如下
环境光是光线经过周围环境表面多次反射后形成的利用它可以描述一块区域的亮度在光照模型中通常用一个常量来表示漫反射当光线照射到一个点时该光线会被均匀的反射到各个方向这种反射称为漫反射。也就是说在漫反射中视角的位置是不重要的因为反射是完全随机的因此可以认为漫反射光在任何反射方向上的分布都是一样的一般可使用Lambert余弦定律计算。高光反射(Specular): 也称镜面光若物体表面很光滑当平行入射的光线射到这个物体表面时仍会平行地向一个方向反射出来。
高光计算
直接上结论因为这个模型资料很多大家可以参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/442023993 h l v ∣ l ∣ ∣ v ∣ h\frac{lv}{\left | l \right | \left | v \right | } h∣l∣∣v∣lv L s k s I ∗ m a x ( 0 , c o s ( α ) ) p k s I ∗ m a x ( 0 , n ⋅ h ) p L_{s}k_{s}I*max(0, cos(\alpha))^{p}k_{s}I*max(0, n\cdot h)^{p} LsksI∗max(0,cos(α))pksI∗max(0,n⋅h)p h——半程向量 Ls——高光颜色 k s k_{s} ks—— 高光反射系数 n——反光度因子
Overload中计算Blinn-Phong光照模型的shader代码如下
/*
* BlinnPhong模型只计算漫反射与高光
* p_LightColor: 光强
* p_LightDir光源方向
* p_Luminosity衰减系数
*/
vec3 BlinnPhong(vec3 p_LightDir, vec3 p_LightColor, float p_Luminosity)
{// 半程向量const vec3 halfwayDir normalize(p_LightDir g_ViewDir); // 计算半程向量const float diffuseCoefficient max(dot(g_Normal, p_LightDir), 0.0); // Lambert余弦const float specularCoefficient pow(max(dot(g_Normal, halfwayDir), 0.0), u_Shininess * 2.0);// 片元颜色光强 * 漫反射系数 * cos(theta) * 衰减因子 光强 * 高光反射系数 * 高光指数 * 衰减因子return p_LightColor * g_DiffuseTexel.rgb * diffuseCoefficient * p_Luminosity ((p_Luminosity 0.0) ? (p_LightColor * g_SpecularTexel.rgb * specularCoefficient * p_Luminosity) : vec3(0.0));
}二、不同光源计算
常见的光源有平行光、点光源、聚光灯他们的具体定义及计算可参考https://learnopengl-cn.readthedocs.io/zh/latest/02%20Lighting/05%20Light%20casters/里面讲的比较详细。
光源数据
不同的光源有不同的数据而且场景中光源数量也是不确定的所以这种情况了Overload使用OpenGL的SSBO传递数据。光源数据转换成一个矩阵转换代码如下
OvMaths::FMatrix4 OvRendering::Entities::Light::GenerateMatrix() const
{OvMaths::FMatrix4 result;// 存放光源位置对应平行光存放的是方向auto position m_transform.GetWorldPosition();result.data[0] position.x;result.data[1] position.y;result.data[2] position.z;// 光源朝向auto forward m_transform.GetWorldForward();result.data[4] forward.x;result.data[5] forward.y;result.data[6] forward.z;// 光源颜色result.data[8] static_castfloat(Pack(color));// 聚光灯参数result.data[12] type;result.data[13] cutoff;result.data[14] outerCutoff;// 光源的衰减参数result.data[3] constant;result.data[7] linear;result.data[11] quadratic;// 光源强度result.data[15] intensity;return result;
}Pack函数是将光颜色RGBA变成一个32位无符号整数感兴趣可以看看这种做法经常会见到。要想具体查看每种光源数据可以使用RenderDoc进行查看加深对每种光源数据的认识。RenderDoc是Shader编写利器而且学起来也不难。
三、Overload中Standard材质的shader
Overload的材质如何创建就不再讲了上节已经讲过的。打开一个材料例子编辑可看到其可设置漫反射、高度、mask、法线、高光贴图以及其他shader中使用的参数。 Shader是实现材质的核心下面分析其代码。Standard材质的Shader在Standard.glsl文件中。
Vertex Shader
其Vertext shader代码如下
#shader vertex
#version 430 core/*顶点着色器的入参*/
layout (location 0) in vec3 geo_Pos; // 顶点坐标
layout (location 1) in vec2 geo_TexCoords; // 顶点纹理坐标
layout (location 2) in vec3 geo_Normal; // 顶点法线
layout (location 3) in vec3 geo_Tangent; // 顶点的切线
layout (location 4) in vec3 geo_Bitangent; // 顶点切线与法线的叉乘三者组成一个本地坐标系/* Global information sent by the engine */
layout (std140) uniform EngineUBO
{mat4 ubo_Model; // 模型矩阵mat4 ubo_View; // 视图矩阵mat4 ubo_Projection; // 投影矩阵vec3 ubo_ViewPos; // 摄像机位置float ubo_Time;
};/* Information passed to the fragment shader */
out VS_OUT
{vec3 FragPos; // 顶点的全局坐标vec3 Normal; // 顶点法线vec2 TexCoords; // 纹理坐标mat3 TBN;flat vec3 TangentViewPos;vec3 TangentFragPos;
} vs_out;void main()
{vs_out.TBN mat3 // 全局坐标系到本地坐标系的旋转矩阵(normalize(vec3(ubo_Model * vec4(geo_Tangent, 0.0))),normalize(vec3(ubo_Model * vec4(geo_Bitangent, 0.0))),normalize(vec3(ubo_Model * vec4(geo_Normal, 0.0))));mat3 TBNi transpose(vs_out.TBN); // 为什么要转置vs_out.FragPos vec3(ubo_Model * vec4(geo_Pos, 1.0)); // 全局坐标系的下的坐标vs_out.Normal normalize(mat3(transpose(inverse(ubo_Model))) * geo_Normal); // 全局坐标系下的法线vs_out.TexCoords geo_TexCoords; // 纹理坐标不用变vs_out.TangentViewPos TBNi * ubo_ViewPos;vs_out.TangentFragPos TBNi * vs_out.FragPos;gl_Position ubo_Projection * ubo_View * vec4(vs_out.FragPos, 1.0);
}其输入是顶点信息包括顶点的坐标、法线、纹理、切线、切线与法线的叉乘。其实一般如无需特殊需求模型只需坐标、法线、纹理即可。这里的geo_Bitangent看着像是切线与法线的叉乘但使用RenderDoc获取顶点着色器的输入发现geo_Bitangent与切线与法线的叉乘很接近但并不完全相等。所以geo_Bitangent究竟是不是切线与法线的叉乘不是完全肯定但对我们看源码影响不大暂且认为他们三个正好组成一个本地坐标系吧。 看其main函数计算顶点全局坐标、法线、NDC坐标。注意法线是用模型矩阵 ( M − 1 ) T (M^{-1})^{T} (M−1)T转换得到。VS_OUT中的输出量会插值最后输给片元着色器。
片元着色器
再来看片元Shader
#shader fragment
#version 430 core/* Global information sent by the engine */
layout (std140) uniform EngineUBO
{mat4 ubo_Model;mat4 ubo_View;mat4 ubo_Projection;vec3 ubo_ViewPos;float ubo_Time;
};/* Information passed from the fragment shader */
in VS_OUT
{vec3 FragPos;vec3 Normal;vec2 TexCoords;mat3 TBN;flat vec3 TangentViewPos;vec3 TangentFragPos;
} fs_in;/* Light information sent by the engine */
layout(std430, binding 0) buffer LightSSBO
{mat4 ssbo_Lights[];
};/* Uniforms (Tweakable from the material editor) */
uniform vec2 u_TextureTiling vec2(1.0, 1.0);
uniform vec2 u_TextureOffset vec2(0.0, 0.0);
uniform vec4 u_Diffuse vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
uniform vec3 u_Specular vec3(1.0, 1.0, 1.0);
uniform float u_Shininess 100.0;
uniform float u_HeightScale 0.0;
uniform bool u_EnableNormalMapping false;
uniform sampler2D u_DiffuseMap;
uniform sampler2D u_SpecularMap;
uniform sampler2D u_NormalMap;
uniform sampler2D u_HeightMap;
uniform sampler2D u_MaskMap;/* Global variables */
vec3 g_Normal;
vec2 g_TexCoords;
vec3 g_ViewDir;
vec4 g_DiffuseTexel;
vec4 g_SpecularTexel;
vec4 g_HeightTexel;
vec4 g_NormalTexel;out vec4 FRAGMENT_COLOR;vec3 UnPack(float p_Target)
{return vec3(float((uint(p_Target) 24) 0xff) * 0.003921568627451,float((uint(p_Target) 16) 0xff) * 0.003921568627451,float((uint(p_Target) 8) 0xff) * 0.003921568627451);
}bool PointInAABB(vec3 p_Point, vec3 p_AabbCenter, vec3 p_AabbHalfSize)
{return(p_Point.x p_AabbCenter.x - p_AabbHalfSize.x p_Point.x p_AabbCenter.x p_AabbHalfSize.x p_Point.y p_AabbCenter.y - p_AabbHalfSize.y p_Point.y p_AabbCenter.y p_AabbHalfSize.y p_Point.z p_AabbCenter.z - p_AabbHalfSize.z p_Point.z p_AabbCenter.z p_AabbHalfSize.z);
}vec2 ParallaxMapping(vec3 p_ViewDir)
{const vec2 parallax p_ViewDir.xy * u_HeightScale * texture(u_HeightMap, g_TexCoords).r;return g_TexCoords - vec2(parallax.x, 1.0 - parallax.y);
}/*
* BlinnPhong模型只计算漫反射与高光
* p_LightColor: 光强
* p_LightDir光源方向
* p_Luminosity衰减系数
*/
vec3 BlinnPhong(vec3 p_LightDir, vec3 p_LightColor, float p_Luminosity)
{// 半程向量const vec3 halfwayDir normalize(p_LightDir g_ViewDir);const float diffuseCoefficient max(dot(g_Normal, p_LightDir), 0.0); // Lambert余弦const float specularCoefficient pow(max(dot(g_Normal, halfwayDir), 0.0), u_Shininess * 2.0);// 片元颜色光强 * 漫反射系数 * cos(theta) * 衰减因子 光强 * 高光反射系数 * 高光指数 * 衰减因子return p_LightColor * g_DiffuseTexel.rgb * diffuseCoefficient * p_Luminosity ((p_Luminosity 0.0) ? (p_LightColor * g_SpecularTexel.rgb * specularCoefficient * p_Luminosity) : vec3(0.0));
}// 计算衰减因子跟LearnOpenGL中的公式一致
float LuminosityFromAttenuation(mat4 p_Light)
{const vec3 lightPosition p_Light[0].rgb;const float constant p_Light[0][3];const float linear p_Light[1][3];const float quadratic p_Light[2][3];const float distanceToLight length(lightPosition - fs_in.FragPos);const float attenuation (constant linear * distanceToLight quadratic * (distanceToLight * distanceToLight));return 1.0 / attenuation;
}vec3 CalcPointLight(mat4 p_Light)
{/* Extract light information from light mat4 */const vec3 lightPosition p_Light[0].rgb; // 光源位置const vec3 lightColor UnPack(p_Light[2][0]); // 光源颜色const float intensity p_Light[3][3]; // 光强const vec3 lightDirection normalize(lightPosition - fs_in.FragPos); // 光源方向const float luminosity LuminosityFromAttenuation(p_Light); // 衰减因子return BlinnPhong(lightDirection, lightColor, intensity * luminosity);
}vec3 CalcDirectionalLight(mat4 light)
{return BlinnPhong(-light[1].rgb, UnPack(light[2][0]), light[3][3]);
}vec3 CalcSpotLight(mat4 p_Light)
{/* Extract light information from light mat4 */const vec3 lightPosition p_Light[0].rgb; // 聚光灯位置const vec3 lightForward p_Light[1].rgb; // 聚光灯朝向const vec3 lightColor UnPack(p_Light[2][0]); // 光源颜色const float intensity p_Light[3][3]; // 光强const float cutOff cos(radians(p_Light[3][1])); // 内圆锥角 const float outerCutOff cos(radians(p_Light[3][1] p_Light[3][2])); // 内圆锥角 外圆锥角 const vec3 lightDirection normalize(lightPosition - fs_in.FragPos); // 光方向const float luminosity LuminosityFromAttenuation(p_Light); // 衰减因子/* Calculate the spot intensity */const float theta dot(lightDirection, normalize(-lightForward)); // costhetaconst float epsilon cutOff - outerCutOff; // 内部圆锥角与外部圆锥角之差const float spotIntensity clamp((theta - outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0); // 边缘软化return BlinnPhong(lightDirection, lightColor, intensity * spotIntensity * luminosity);
}vec3 CalcAmbientBoxLight(mat4 p_Light)
{const vec3 lightPosition p_Light[0].rgb;const vec3 lightColor UnPack(p_Light[2][0]);const float intensity p_Light[3][3];const vec3 size vec3(p_Light[0][3], p_Light[1][3], p_Light[2][3]);return PointInAABB(fs_in.FragPos, lightPosition, size) ? g_DiffuseTexel.rgb * lightColor * intensity : vec3(0.0);
}vec3 CalcAmbientSphereLight(mat4 p_Light)
{const vec3 lightPosition p_Light[0].rgb;const vec3 lightColor UnPack(p_Light[2][0]);const float intensity p_Light[3][3];const float radius p_Light[0][3];return distance(lightPosition, fs_in.FragPos) radius ? g_DiffuseTexel.rgb * lightColor * intensity : vec3(0.0);
}void main()
{g_TexCoords u_TextureOffset vec2(mod(fs_in.TexCoords.x * u_TextureTiling.x, 1), mod(fs_in.TexCoords.y * u_TextureTiling.y, 1)); // 计算纹理贴图坐标/* Apply parallax mapping */if (u_HeightScale 0) // 使用高度贴图g_TexCoords ParallaxMapping(normalize(fs_in.TangentViewPos - fs_in.TangentFragPos));/* Apply color mask */if (texture(u_MaskMap, g_TexCoords).r ! 0.0) // 可以通过u_MaskMap屏蔽部分区域{g_ViewDir normalize(ubo_ViewPos - fs_in.FragPos); // 视线方向视点坐标-片元坐标g_DiffuseTexel texture(u_DiffuseMap, g_TexCoords) * u_Diffuse; // 漫反射颜色g_SpecularTexel texture(u_SpecularMap, g_TexCoords) * vec4(u_Specular, 1.0); // 高光项的颜色if (u_EnableNormalMapping) // 使用法线贴图{g_Normal texture(u_NormalMap, g_TexCoords).rgb;g_Normal normalize(g_Normal * 2.0 - 1.0); g_Normal normalize(fs_in.TBN * g_Normal);}else{g_Normal normalize(fs_in.Normal);}vec3 lightSum vec3(0.0);// 对灯光进行循环计算每盏灯的贡献for (int i 0; i ssbo_Lights.length(); i){switch(int(ssbo_Lights[i][3][0])){case 0: lightSum CalcPointLight(ssbo_Lights[i]); break; // 计算点光源case 1: lightSum CalcDirectionalLight(ssbo_Lights[i]); break; // 计算case 2: lightSum CalcSpotLight(ssbo_Lights[i]); break; // 计算聚光灯case 3: lightSum CalcAmbientBoxLight(ssbo_Lights[i]); break;case 4: lightSum CalcAmbientSphereLight(ssbo_Lights[i]); break;}}FRAGMENT_COLOR vec4(lightSum, g_DiffuseTexel.a);}else{FRAGMENT_COLOR vec4(0.0);}
}Fragment Sahder代码看着很多拆解一下就是分别计算各个灯光的贡献进行累加。计算每种灯光时最终都是使用Blinn-Phonge模型计算的。每种类型的灯光基本与LearnOpenGL中的描述一致。UnPack函数可以学习一下看看如何float如何变成RGB。
