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Deferred shading技術簡介

來源：程序員人生   發布時間：2016-02-28 10:07:27 閱讀次數：2408次

Deferred shading是這樣1種技術：將光照/渲染計算推延到第2步進行計算。我們這樣做的目的是為了不屢次（超過1次）渲染同1個像素。

其基本思想以下：

1、在第1步中，我們渲染場景，但是與通常情況下利用反射模型計算片斷色彩不同的是，我們只是簡單的將幾何信息（位置坐標，法線向量，紋理坐標，反射系數等等）存儲在中間緩沖區中，這樣的緩沖區我們稱之為g-buffer（g是幾何geometry的縮寫）。

2、在第2步，我們從g-buffer中讀取信息，利用反射模型，計算出每一個像素的終究色彩。


Deferred shading技術的利用使得我們避免了利用反射模型于終究不可見的片斷上。例如，斟酌這樣的像素，它位于兩個多邊形堆疊的區域。通常的片斷著色器會讀對每一個多邊形分別計算那個像素1次；但是，兩次履行的結果終究只有1個成為該像素的終究色彩（這里基于的1個假定是：混合已被禁用）。這樣，其中的1次計算就是無用的。有了Deferred shading技術，反射模型的計算會推延到所有幾何體被處理以后，那時候每一個像素位置幾何體的可見性也是已知的。這樣，對屏幕上的每一個像素，反射模型的計算只會產生1次。


Deferred shading容易懂而且便于使用。它能夠幫助實行很復雜的光照/反射模型。


2、結合例子來講明Deferred shading技術

下面的例子采取Deferred shading技術渲染了1個包括1個茶壺和1個圓環的場景。效果以下：

圖1 場景渲染效果圖

在這個例子中，我們將位置坐標、法線和漫反射因子存儲在g-buffer里。在第2步的時候，我們使用g-buffer里面的數據來進行漫反射光照模型的計算。

g-buffer包括3個紋理：分別用來存儲位置坐標、法線和漫反射因子。對應的采取了3個uniform變量：PositionTex、NormalTex、ColorTex。

他們均被關聯到1個FBO上。關于FBO使用見：FBO。


下面是創建包括g-buffer的FBO的代碼：

[cpp] view plaincopy
  1. GLuint depthBuf, posTex, normTex, colorTex;

  3. // Create and bind the FBO
  4. glGenFramebuffers(1, &deferredFBO);
  5. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, deferredFBO);

  7. // The depth buffer
  8. glGenRenderbuffers(1, &depthBuf);
  9. glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, depthBuf);
  10. glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH_COMPONENT, width, height);

  12. // The position buffer
  13. glActiveTexture(GL_TEXTURE0); // Use texture unit 0
  14. glGenTextures(1, &posTex);
  15. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, posTex);
  16. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB32F, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
  17. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
  18. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

  20. // The normal buffer
  21. glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
  22. glGenTextures(1, &normTex);
  23. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, normTex);
  24. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB32F, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
  25. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
  26. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

  28. // The color buffer
  29. glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
  30. glGenTextures(1, &colorTex);
  31. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, colorTex);
  32. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
  33. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
  34. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

  36. // Attach the images to the framebuffer
  37. glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, depthBuf);
  38. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, posTex, 0);
  39. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT1, GL_TEXTURE_2D, normTex, 0);
  40. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT2, GL_TEXTURE_2D, colorTex, 0);

  42. GLenum drawBuffers[] = {GL_NONE, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_COLOR_ATTACHMENT1,
  43. GL_COLOR_ATTACHMENT2};
  44. glDrawBuffers(4, drawBuffers);

  46. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
[cpp] view plaincopy
  1. GLuint depthBuf, posTex, normTex, colorTex;

  3. // Create and bind the FBO
  4. glGenFramebuffers(1, &deferredFBO);
  5. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, deferredFBO);

  7. // The depth buffer
  8. glGenRenderbuffers(1, &depthBuf);
  9. glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, depthBuf);
  10. glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH_COMPONENT, width, height);

  12. // The position buffer
  13. glActiveTexture(GL_TEXTURE0); // Use texture unit 0
  14. glGenTextures(1, &posTex);
  15. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, posTex);
  16. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB32F, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
  17. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
  18. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

  20. // The normal buffer
  21. glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
  22. glGenTextures(1, &normTex);
  23. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, normTex);
  24. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB32F, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
  25. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
  26. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

  28. // The color buffer
  29. glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
  30. glGenTextures(1, &colorTex);
  31. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, colorTex);
  32. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
  33. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
  34. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

  36. // Attach the images to the framebuffer
  37. glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, depthBuf);
  38. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, posTex, 0);
  39. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT1, GL_TEXTURE_2D, normTex, 0);
  40. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT2, GL_TEXTURE_2D, colorTex, 0);

  42. GLenum drawBuffers[] = {GL_NONE, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_COLOR_ATTACHMENT1,
  43. GL_COLOR_ATTACHMENT2};
  44. glDrawBuffers(4, drawBuffers);

  46. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

注意：3個紋理分別使用函數glFramebufferTexture2D()關聯到FBO的色彩關聯點0、1、2上面。接著調用函數glDrawBuffers把它們和片斷著色器的輸出變量聯系起來。

函數glDrawBuffer唆使了FBO成員和片斷著色器輸出變量之間的聯系。FBO中的第i個成員對應片斷著色器中的索引為i的輸出變量。這樣，片斷著色器（下面列出了完全代碼）中相對應的輸出變量分別是PosiutionData,NormalData和ColorData。


頂點著色器實現了1個很簡單的功能：將位置坐標和法線轉化到eye sapce中，然后傳遞到片斷著色器中。而紋理坐標則沒有產生變化。


片斷著色器以下：

[cpp] view plaincopy
  1. #version 400

  3. struct LightInfo {
  4. vec4 Position; // Light position in eye coords.
  5. vec3 Intensity; // A,D,S intensity
  6. };
  7. uniform LightInfo Light;

  9. struct MaterialInfo {
  10. vec3 Kd; // Diffuse reflectivity
  11. };
  12. uniform MaterialInfo Material;

  14. subroutine void RenderPassType();
  15. subroutine uniform RenderPassType RenderPass;

  17. uniform sampler2D PositionTex, NormalTex, ColorTex;

  19. in vec3 Position;
  20. in vec3 Normal;
  21. in vec2 TexCoord;

  23. layout (location = 0) out vec4 FragColor;
  24. layout (location = 1) out vec3 PositionData;
  25. layout (location = 2) out vec3 NormalData;
  26. layout (location = 3) out vec3 ColorData;

  28. vec3 diffuseModel( vec3 pos, vec3 norm, vec3 diff )
  29. {
  30. vec3 s = normalize(vec3(Light.Position) - pos);
  31. float sDotN = max( dot(s,norm), 0.0 );
  32. vec3 diffuse = Light.Intensity * diff * sDotN;

  34. return diffuse;
  35. }

  37. subroutine (RenderPassType)
  38. void pass1()
  39. {
  40. // Store position, normal, and diffuse color in textures
  41. PositionData = Position;
  42. NormalData = Normal;
  43. ColorData = Material.Kd;
  44. }

  46. subroutine(RenderPassType)
  47. void pass2()
  48. {
  49. // Retrieve position and normal information from textures
  50. vec3 pos = vec3( texture( PositionTex, TexCoord ) );
  51. vec3 norm = vec3( texture( NormalTex, TexCoord ) );
  52. vec3 diffColor = vec3( texture(ColorTex, TexCoord) );

  54. FragColor = vec4( diffuseModel(pos,norm,diffColor), 1.0 );
  55. }

  57. void main() {
  58. // This will call either pass1 or pass2
  59. RenderPass();
  60. }
[cpp] view plaincopy
  1. #version 400

  3. struct LightInfo {
  4. vec4 Position; // Light position in eye coords.
  5. vec3 Intensity; // A,D,S intensity
  6. };
  7. uniform LightInfo Light;

  9. struct MaterialInfo {
  10. vec3 Kd; // Diffuse reflectivity
  11. };
  12. uniform MaterialInfo Material;

  14. subroutine void RenderPassType();
  15. subroutine uniform RenderPassType RenderPass;

  17. uniform sampler2D PositionTex, NormalTex, ColorTex;

  19. in vec3 Position;
  20. in vec3 Normal;
  21. in vec2 TexCoord;

  23. layout (location = 0) out vec4 FragColor;
  24. layout (location = 1) out vec3 PositionData;
  25. layout (location = 2) out vec3 NormalData;
  26. layout (location = 3) out vec3 ColorData;

  28. vec3 diffuseModel( vec3 pos, vec3 norm, vec3 diff )
  29. {
  30. vec3 s = normalize(vec3(Light.Position) - pos);
  31. float sDotN = max( dot(s,norm), 0.0 );
  32. vec3 diffuse = Light.Intensity * diff * sDotN;

  34. return diffuse;
  35. }

  37. subroutine (RenderPassType)
  38. void pass1()
  39. {
  40. // Store position, normal, and diffuse color in textures
  41. PositionData = Position;
  42. NormalData = Normal;
  43. ColorData = Material.Kd;
  44. }

  46. subroutine(RenderPassType)
  47. void pass2()
  48. {
  49. // Retrieve position and normal information from textures
  50. vec3 pos = vec3( texture( PositionTex, TexCoord ) );
  51. vec3 norm = vec3( texture( NormalTex, TexCoord ) );
  52. vec3 diffColor = vec3( texture(ColorTex, TexCoord) );

  54. FragColor = vec4( diffuseModel(pos,norm,diffColor), 1.0 );
  55. }

  57. void main() {
  58. // This will call either pass1 or pass2
  59. RenderPass();
  60. }

片斷著色器則包括了關于光源、材料的1些信息，都是uniform變量，以用于光照計算。

片斷著色器里面使用了subroutine技術，實現了兩個函數pass1和pass2，分別包括了第1步和第2步的操作。我們在OpenGL利用程序中通過設置uniform變量的值可以選擇使用相應的功能。


在OpenGL利用程序里面，

實行第1步的步驟以下：

1、綁定FBO；

2、情況色彩和深度緩沖區，選擇pass1 subroutine函數，啟用深度測試；

3、渲染場景。


實行第2步的步驟是：

1、去除FBO綁定（將其綁定到0），目的是能夠渲染場景到默許緩沖區，而不是FBO里面，它就可以顯示到屏幕上；

2、清除色彩緩沖去對象。禁用深度測試；

3、選擇pass2 subroutine函數，渲染1個充滿屏幕的4邊形，帶有紋理坐標，每一個方向的紋理坐標的范圍都是從0到1.計算光照模型，得出最后的片斷色彩。


3、如何選擇使用Deferred shading技術

在圖形學領域，關于Deferred shading技術的優點和缺點備受爭議。這類技術其實不適用所有的場合，它取決于你的利用程序的需求。因此在覺得是不是采取這個技術之前1定要權衡它帶來的優點和缺點。

Deferred shading技術帶來1個很重要的缺點就是不能使用基于硬件實現的多重采樣抗鋸齒功能。由于渲染進程產生在第2步，所以我們在第2步需要多個樣本。但是，在第2步我們只有每個像素的1個樣本。

另外1個缺點就是不能使用混合技術。


參考資料：

《GPU Gems 2》的第9章

《GPU Gems 3》的第19章

版權聲明：本文為【借你1秒】原創文章，轉載請標明出處。

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