• 【Overload游戏引擎细节分析】standard材质Shader


    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Blinn-Phong光照模型从定义到实现,一文就够了(1.5w字)

    在这里插入图片描述
    h = l + v ∣ l ∣ + ∣ v ∣ h=\frac{l+v}{\left | l \right | + \left | v \right | } h=l+vl+v
    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} Ls=ksImax(0,cos(α))p=ksImax(0,nh)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));
    }
    
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    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:LearnOpenGL 投光物,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(对于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,用于聚光灯
    	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_cast(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,用于与光源颜色相乘
    	result.data[15] = intensity;
    
    	return result;
    }
    
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    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。
    在这里插入图片描述

    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。
    在这里插入图片描述
    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);
    }
    
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    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。这里有几点要注意,

    • 法线是用模型矩阵 ( M − 1 ) T (M^{-1})^{T} (M1)T转换得到;
    • TBN矩阵是一个旋转矩阵,可将本地坐标系矢量变换到全局坐标,在片元着色器中用于变换法线贴图中的数据;
    • TangentViewPos、TangentFragPos用于高度贴图,这块的原理没看明白,欢迎大佬解惑。

    VS_OUT中的输出量再光栅化阶段进行插值,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;
    
    /* 光源数据用SSBO传入 */
    /* 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;
    
    /* 将32位数字变成RGBA颜色 */
    vec3 UnPack(float p_Target)
    {
        return vec3
        (
            // CPU传入的数据是0-255,转换成0-1.0
            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,只计算了漫反射与高光
    * 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;
    }
    
    // 计算点光源贡献
    vec3 CalcPointLight(mat4 p_Light)
    {
        /* Extract light information from light mat4 */
        const vec3 lightPosition  = p_Light[0].rgb;  // 点光源位置
        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);
    }
    
    // 计算方向光贡献
    vec3 CalcDirectionalLight(mat4 light)
    {
        return BlinnPhong(-light[1].rgb, UnPack(light[2][0]), light[3][3]);
    }
    
    // 计算聚光灯贡献
    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)); // cos(theta)
        const 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,参考LearOpenGL
        
        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; // 法线贴图的原始值
                g_Normal = normalize(g_Normal * 2.0 - 1.0);   // 法线贴图矢量坐标范围变成-1到1
                g_Normal = normalize(fs_in.TBN * g_Normal);   // 变换到全局坐标系下
            }
            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; // 计算方向光
                    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); // 被mask贴图屏蔽的区域就是黑色
        }
    }
    
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    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。
    这里可以学习的地方如下:

    • 法线贴图的数据变换
    • Blinn-Phonge模型的计算
    • 点光源、方向光、聚光灯的计算
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