翻译:探索GLSL-用几何着色器(着色器库)实现法线可视化

翻译:探索GLSL-用几何着色器(着色器库)实现法线可视化

翻译自: Exploring GLSL – Normal Visualizer with Geometry Shaders (Shader Library)

• 译者: FreeBlues

概述

亲爱的读者们, 我回来了! 已经三周没发表新文章了... 很多事情需要去做, 再加上跟明媚的天气 -- 导致没有新文章给 Geek3D.

今天我们来看看一个简单而有用的几何着色器(geometry shaders)的应用: 法线可视化(normal visualizer). 我已经在文章Simple Introduction to Geometry Shaders in GLSL (Part 1) 和 Simple Introduction to Geometry Shaders in GLSL (Part 2 中讨论过 GLSL 的 几何着色器.

一个 几何着色器 允许创建一个新的几何图形(一个顶点, 一条线, 或者一个多边形) on the fly. 我们将会利用这个特性生成一个三角形网格的顶点和面的可视化法线的线条.

本文的示例用GLSL Hacker编写, 你可以在 Code Sample Pack 的 GLSL_Geometry_Shader_Normal_Visualizer/ 目录中找到全部的源码. 你可以来这里下载(我建议使用最新的 DEV 版本).

一般而言, GLSL 程序并不特定于 GLSL Hacker. 你可以在任何 OpenGL/WebGL 应用中使用它们, 只需要做一些小小的修改(着色器输入).

顶点法线可视化

截图:

顶点法线的生成很简单. 每个法线都是由两个顶点构成的一条线. 第一个顶点就是输入的顶点(属于当前的网格-mesh). 第二个顶点就是第一个顶点沿着它的法线方向做一段位移后的新顶点.

V0 = Pi
V1 = pi + (normal_length * N)

• i 是顶点索引(范围0~2是因为几何着色器的输入是一个三角形).
• Pi 和 Ni 是第i 个顶点的位置和法线.
• V0 和 V1 是新线条的顶点.

顶点法线是几何着色器输入顶点的一部分. 下面是完整的原来渲染顶点法线的 GLSL 程序(顶点+几何+片段).

• 顶点着色器

这是一个简单的透传顶点着色器. 这里没有任何变换(译者注:指矩阵变换), 顶点将在几何着色器中被变换用于最终的显示.

#version 150
in vec4 gxl3d_Position;
in vec4 gxl3d_Normal;

out Vertex
{
  vec4 normal;
  vec4 color;
} vertex;

void main()
{
  gl_Position = gxl3d_Position;
  vertex.normal = gxl3d_Normal;
  vertex.color =  vec4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0);
}

• 几何着色器

几何着色器 做了大部分的工作: 它把顶点从本地空间(译者注: 也叫模型空间)变换到窗口空间(裁剪空间)(gxl3d_ModelViewProjectionMatrix)并且创建了那些线条.

#version 150
layout(triangles) in;

// Three lines will be generated: 6 vertices
layout(line_strip, max_vertices=6) out;

uniform float normal_length;
uniform mat4 gxl3d_ModelViewProjectionMatrix;

in Vertex
{
  vec4 normal;
  vec4 color;
} vertex[];

out vec4 vertex_color;

void main()
{
  int i;
  for(i=0; i<gl_in.length(); i++)
  {
    vec3 P = gl_in[i].gl_Position.xyz;
    vec3 N = vertex[i].normal.xyz;

    gl_Position = gxl3d_ModelViewProjectionMatrix * vec4(P, 1.0);
    vertex_color = vertex[i].color;
    EmitVertex();

    gl_Position = gxl3d_ModelViewProjectionMatrix * vec4(P + N * normal_length, 1.0);
    vertex_color = vertex[i].color;
    EmitVertex();

    EndPrimitive();
  }
}

• 片段着色器

#version 150
in vec4 vertex_color;
out vec4 Out_Color;
void main()
{
  Out_Color = vertex_color;
}

面法线可视化

截图:

顶点法线的生成很简单. 让我们看看如何在几何着色器中生成面法线. 我们所需要的是定义一个三角形的三个顶点. 幸运的是这些顶点是几何着色器的输入, 感谢这一行代码:

layout(triangles) in;

如果 P0, P1和P2是面顶点的位置, 面法线就是下面的叉积(cross product)的结果:

V0 = P0-P1
V1 = P2-P1
N = cross (V1, V0)

截图:

现在我们已经有了编写面法线可视化的所有理论. 下面就是单独的 几何着色器 的代码, 因为跟前面的 GLSL 程序相比, 只有 几何着色器 做了更新. 这个 几何着色器 生成 3 条顶点法线(黄色), 1 条面法线(红色): 4 条线或者 8 个新顶点.

• 几何着色器

#version 150
layout(triangles) in;
layout(line_strip, <b>max_vertices=8</b>) out;

uniform float normal_length;
uniform mat4 gxl3d_ModelViewProjectionMatrix;

in Vertex
{
  vec4 normal;
  vec4 color;
} vertex[];

out vec4 vertex_color;

void main()
{
  int i;

  //------ 3 lines for the 3 vertex normals
  //
  for(i=0; i&lt;gl_in.length(); i++)
  {
    vec3 P = gl_in[i].gl_Position.xyz;
    vec3 N = vertex[i].normal.xyz;

    gl_Position = gxl3d_ModelViewProjectionMatrix * vec4(P, 1.0);
    vertex_color = vertex[i].color;
    EmitVertex();

    gl_Position = gxl3d_ModelViewProjectionMatrix * vec4(P + N * normal_length, 1.0);
    vertex_color = vertex[i].color;
    EmitVertex();

    EndPrimitive();
  }

  //------ One line for the face normal
  //
  vec3 P0 = gl_in[0].gl_Position.xyz;
  vec3 P1 = gl_in[1].gl_Position.xyz;
  vec3 P2 = gl_in[2].gl_Position.xyz;

  vec3 V0 = P0 - P1;
  vec3 V1 = P2 - P1;

  vec3 N = cross(V1, V0);
  N = normalize(N);

  // Center of the triangle
  vec3 P = (P0+P1+P2) / 3.0;

  gl_Position = gxl3d_ModelViewProjectionMatrix * vec4(P, 1.0);
  vertex_color = vec4(1, 0, 0, 1);
  EmitVertex();

  gl_Position = gxl3d_ModelViewProjectionMatrix * vec4(P + N * normal_length, 1.0);
  vertex_color = vec4(1, 0, 0, 1);
  EmitVertex();
  EndPrimitive();
}

参考

OpenGL Superbible, fifth edition, chapter 11

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