Deferred shading技术简介

PHP 2020-11-07

Deferred shading是这样1种技术：将光照/渲染计算推延到第2步进行计算。我们这样做的目的是为了不屡次（超过1次）渲染同1个像素。

其基本思想以下：

1、在第1步中，我们渲染场景，但是与通常情况下利用反射模型计算片断色彩不同的是，我们只是简单的将几何信息（位置坐标，法线向量，纹理坐标，反射系数等等）存储在中间缓冲区中，这样的缓冲区我们称之为g-buffer（g是几何geometry的缩写）。

2、在第2步，我们从g-buffer中读取信息，利用反射模型，计算出每一个像素的终究色彩。


Deferred shading技术的利用使得我们避免了利用反射模型于终究不可见的片断上。例如，斟酌这样的像素，它位于两个多边形堆叠的区域。通常的片断着色器会读对每一个多边形分别计算那个像素1次；但是，两次履行的结果终究只有1个成为该像素的终究色彩（这里基于的1个假定是：混合已被禁用）。这样，其中的1次计算就是无用的。有了Deferred shading技术，反射模型的计算会推延到所有几何体被处理以后，那时候每一个像素位置几何体的可见性也是已知的。这样，对屏幕上的每一个像素，反射模型的计算只会产生1次。


Deferred shading容易懂而且便于使用。它能够帮助实行很复杂的光照/反射模型。


2、结合例子来讲明Deferred shading技术

下面的例子采取Deferred shading技术渲染了1个包括1个茶壶和1个圆环的场景。效果以下：

图1 场景渲染效果图

在这个例子中，我们将位置坐标、法线和漫反射因子存储在g-buffer里。在第2步的时候，我们使用g-buffer里面的数据来进行漫反射光照模型的计算。

g-buffer包括3个纹理：分别用来存储位置坐标、法线和漫反射因子。对应的采取了3个uniform变量：PositionTex、normalTex、ColorTex。

他们均被关联到1个FBO上。关于FBO使用见：FBO。


下面是创建包括g-buffer的FBO的代码：

[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, height, 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, GL_NEAREST);

  26. // The color buffer
  27. glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
  28. glGenTextures(1, &colorTex);
  29. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, colorTex);
  30. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, GL_NEAREST);

  32. // Attach the images to the framebuffer
  33. glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, depthBuf);
  34. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, 0);
  35. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT1, 0);
  36. glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT2, colorTex, 0);

  38. GLenum drawBuffers[] = {GL_NONE,
  39. GL_COLOR_ATTACHMENT2};
  40. glDrawBuffers(4, drawBuffers);

  42. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
Highlighter bg_cpp" style="font-family:Consolas, colorTex;

  • // Create and bind the FBO
  • glGenFramebuffers(1, deferredFBO);

  • // The depth buffer
  • glGenRenderbuffers(1, height);

  • // The position buffer
  • glActiveTexture(GL_TEXTURE0); // Use texture unit 0
  • glGenTextures(1, GL_NEAREST);

  • // The normal buffer
  • glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
  • glGenTextures(1, GL_NEAREST);

  • // The color buffer
  • glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
  • glGenTextures(1, GL_NEAREST);

  • // Attach the images to the framebuffer
  • glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

    • 注意：3个纹理分别使用函数glFramebufferTexture2D()关联到FBO的色彩关联点0、1、2上面。接着调用函数glDrawBuffers把它们和片断着色器的输出变量联系起来。

    函数glDrawBuffer唆使了FBO成员和片断着色器输出变量之间的联系。FBO中的第i个成员对应片断着色器中的索引为i的输出变量。这样，片断着色器（下面列出了完全代码）中相对应的输出变量分别是PosiutionData,normalData和ColorData。


    顶点着色器实现了1个很简单的功能：将位置坐标和法线转化到eye sapce中，然后传递到片断着色器中。而纹理坐标则没有产生变化。


    片断着色器以下：

    [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,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, vec3 diff )
    18. {
    19. vec3 s = normalize(vec3(Light.Position) - pos);
    20. float sDotN = max( dot(s, 0.0 );
    21. vec3 diffuse = Light.Intensity * diff * sDotN;

    23. return diffuse;
    24. }

    26. subroutine (RenderPasstype)
    27. void pass1()
    28. {
    29. // Store position, and diffuse color in textures
    30. PositionData = Position;
    31. normalData = normal;
    32. ColorData = Material.Kd;
    33. }

    35. subroutine(RenderPasstype)
    36. void pass2()
    37. {
    38. // Retrieve position and normal information from textures
    39. vec3 pos = vec3( texture( PositionTex, 1.0 );
    40. }

    42. void main() {
    43. // This will call either pass1 or pass2
    44. RenderPass();
    45. }

    片断着色器则包括了关于光源、材料的1些信息，都是uniform变量，以用于光照计算。

    片断着色器里面使用了subroutine技术，实现了两个函数pass1和pass2，分别包括了第1步和第2步的操作。我们在OpenGL利用程序中通过设置uniform变量的值可以选择使用相应的功能。


    在OpenGL利用程序里面，

    实行第1步的步骤以下：

    1、绑定FBO；

    2、情况色彩和深度缓冲区，选择pass1 subroutine函数，启用深度测试；

    3、渲染场景。


    实行第2步的步骤是：

    1、去除FBO绑定（将其绑定到0），目的是能够渲染场景到默许缓冲区，而不是FBO里面，它就可以显示到屏幕上；

    2、清除色彩缓冲去对象。禁用深度测试；

    3、选择pass2 subroutine函数，渲染1个充满屏幕的4边形，带有纹理坐标，每一个方向的纹理坐标的范围都是从0到1.计算光照模型，得出最后的片断色彩。


    3、如何选择使用Deferred shading技术

    在图形学领域，关于Deferred shading技术的优点和缺点备受争议。这类技术其实不适用所有的场合，它取决于你的利用程序的需求。因此在觉得是不是采取这个技术之前1定要权衡它带来的优点和缺点。

    Deferred shading技术带来1个很重要的缺点就是不能使用基于硬件实现的多重采样抗锯齿功能。由于渲染进程产生在第2步，所以我们在第2步需要多个样本。但是，在第2步我们只有每个像素的1个样本。

    另外1个缺点就是不能使用混合技术。


    参考资料：

    《GPU Gems 2》的第9章

    《GPU Gems 3》的第19章

    版权声明：本文为【借你1秒】原创文章，转载请标明出处。

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