延遲渲染（Deferred Shading）技術詳解

2019-11-11 02:29:24

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一、Deferred shading技術簡介

Deferred shading是這樣一種技術：將光照/渲染計算推遲到第二步進行計算。我們這樣做的目的是為了避免多次（超過1次）渲染同一個像素。

其基本思想如下：

1、在第一步中，我們渲染場景，但是與通常情況下應用反射模型計算片斷顏色不同的是，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、在第二步，我們從g-buffer中讀取信息，應用反射模型，計算出每個像素的最終顏色。

Deferred shading技術的應用使得我們避免了應用反射模型于最終不可見的片斷上。例如，考慮這樣的像素，它位于兩個多邊形重疊的區域。通常的片斷著色器會讀對每個多邊形分別計算那個像素一次；然而，兩次執行的結果最終只有一個成為該像素的最終顏色（這里基于的一個假設是：混合已被禁用）。這樣，其中的一次計算就是無用的。有了Deferred shading技術，反射模型的計算會推遲到所有幾何體被處理之后，那時候每個像素位置幾何體的可見性也是已知的。這樣，對于屏幕上的每個像素，反射模型的計算只會發生一次。

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

二、結合例子來說明Deferred shading技術

下面的例子采用Deferred shading技術渲染了一個包含一個茶壺和一個圓環的場景。效果如下：

圖一場景渲染效果圖

在這個例子中，我們將位置坐標、法線以及漫反射因子存儲在g-buffer里。在第二步的時候，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包含3個紋理：分別用來存儲位置坐標、法線以及漫反射因子。對應的采用了3個uniform變量：PositionTex、NormalTex、ColorTex。

他們均被關聯到一個FBO上。關于FBO使用見：FBO。

下面是創建包含g-buffer的FBO的代碼：

GLuint depthBuf, posTex, normTex, colorTex; // Create and bind the FBO glGenFramebuffers(1, &deferredFBO); glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, deferredFBO); // The depth buffer glGenRenderbuffers(1, &depthBuf); glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, depthBuf); glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH_COMPONENT, width, height); // The position buffer glActiveTexture(GL_TEXTURE0); // Use texture unit 0 glGenTextures(1, &posTex); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, posTex); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB32F, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); // The normal buffer glActiveTexture(GL_TEXTURE1); glGenTextures(1, &normTex); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, normTex); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB32F, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); // The color buffer glActiveTexture(GL_TEXTURE2); glGenTextures(1, &colorTex); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, colorTex); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); // Attach the images to the framebuffer glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, depthBuf); glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, posTex, 0); glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT1, GL_TEXTURE_2D, normTex, 0); glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT2, GL_TEXTURE_2D, colorTex, 0); GLenum drawBuffers[] = {GL_NONE, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_COLOR_ATTACHMENT1, GL_COLOR_ATTACHMENT2}; glDrawBuffers(4, drawBuffers); glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0); GLuint depthBuf, posTex, normTex, colorTex; // Create and bind the FBO glGenFramebuffers(1, &deferredFBO); glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, deferredFBO); // The depth buffer glGenRenderbuffers(1, &depthBuf); glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, depthBuf); glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH_COMPONENT, width, height); // The position buffer glActiveTexture(GL_TEXTURE0); // Use texture unit 0 glGenTextures(1, &posTex); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, posTex); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB32F, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); // The normal buffer glActiveTexture(GL_TEXTURE1); glGenTextures(1, &normTex); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, normTex); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB32F, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); // The color buffer glActiveTexture(GL_TEXTURE2); glGenTextures(1, &colorTex); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, colorTex); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); // Attach the images to the framebuffer glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, depthBuf); glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, posTex, 0); glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT1, GL_TEXTURE_2D, normTex, 0); glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT2, GL_TEXTURE_2D, colorTex, 0); GLenum drawBuffers[] = {GL_NONE, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_COLOR_ATTACHMENT1, GL_COLOR_ATTACHMENT2}; glDrawBuffers(4, drawBuffers); glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

注意：三個紋理分別使用函數glFramebufferTexture2D()關聯到FBO的顏色關聯點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指示了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（下面列出了完整代碼）中相對應的輸出變量分別是PosiutionData,NormalData和ColorData。

頂點著色器實現了一個很簡單的功能：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。而紋理坐標則沒有發生變化。

片斷著色器如下：

#version 400 struct LightInfo { vec4 Position; // Light position in eye coords. vec3 Intensity; // A,D,S intensity }; uniform LightInfo Light; struct MaterialInfo { vec3 Kd; // Diffuse reflectivity }; uniform MaterialInfo Material; subroutine void RenderPassType(); subroutine uniform RenderPassType RenderPass; uniform sampler2D PositionTex, NormalTex, ColorTex; in vec3 Position; in vec3 Normal; in vec2 TexCoord; layout (location = 0) out vec4 FragColor; layout (location = 1) out vec3 PositionData; layout (location = 2) out vec3 NormalData; layout (location = 3) out vec3 ColorData; vec3 diffuseModel( vec3 pos, vec3 norm, vec3 diff ) { vec3 s = normalize(vec3(Light.Position) - pos); float sDotN = max( dot(s,norm), 0.0 ); vec3 diffuse = Light.Intensity * diff * sDotN; return diffuse; } subroutine (RenderPassType) void pass1() { // Store position, normal, and diffuse color in textures PositionData = Position; NormalData = Normal; ColorData = Material.Kd; } subroutine(RenderPassType) void pass2() { // Retrieve position and normal information from textures vec3 pos = vec3( texture( PositionTex, TexCoord ) ); vec3 norm = vec3( texture( NormalTex, TexCoord ) ); vec3 diffColor = vec3( texture(ColorTex, TexCoord) ); FragColor = vec4( diffuseModel(pos,norm,diffColor), 1.0 ); } void main() { // This will call either pass1 or pass2 RenderPass(); } #version 400 struct LightInfo { vec4 Position; // Light position in eye coords. vec3 Intensity; // A,D,S intensity }; uniform LightInfo Light; struct MaterialInfo { vec3 Kd; // Diffuse reflectivity }; uniform MaterialInfo Material; subroutine void RenderPassType(); subroutine uniform RenderPassType RenderPass; uniform sampler2D PositionTex, NormalTex, ColorTex; in vec3 Position; in vec3 Normal; in vec2 TexCoord; layout (location = 0) out vec4 FragColor; layout (location = 1) out vec3 PositionData; layout (location = 2) out vec3 NormalData; layout (location = 3) out vec3 ColorData; vec3 diffuseModel( vec3 pos, vec3 norm, vec3 diff ) { vec3 s = normalize(vec3(Light.Position) - pos); float sDotN = max( dot(s,norm), 0.0 ); vec3 diffuse = Light.Intensity * diff * sDotN; return diffuse; } subroutine (RenderPassType) void pass1() { // Store position, normal, and diffuse color in textures PositionData = Position; NormalData = Normal; ColorData = Material.Kd; } subroutine(RenderPassType) void pass2() { // Retrieve position and normal information from textures vec3 pos = vec3( texture( PositionTex, TexCoord ) ); vec3 norm = vec3( texture( NormalTex, TexCoord ) ); vec3 diffColor = vec3( texture(ColorTex, TexCoord) ); FragColor = vec4( diffuseModel(pos,norm,diffColor), 1.0 ); } void main() { // This will call either pass1 or pass2 RenderPass(); }

片斷著色器則包含了關于光源、材料的一些信息，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，分別包含了第一步和第二步的操作。我們在OpenGL應用程序中通過設置uniform變量的值可以選擇使用相應的功能。

在OpenGL應用程序里面，

實施第一步的步驟如下：

1、綁定FBO；

2、情況顏色以及深度緩沖區，選擇pass1 subroutine函數，啟用深度測試；

3、渲染場景。

實施第二步的步驟是：

1、去除FBO綁定（將其綁定到0），目的是能夠渲染場景到默認緩沖區，而不是FBO里面，它就能顯示到屏幕上；

2、清除顏色緩沖去對象。禁用深度測試；

3、選擇pass2 subroutine函數，渲染一個充滿屏幕的四邊形，帶有紋理坐標，每個方向的紋理坐標的范圍都是從0到1.計算光照模型，得出最后的片斷顏色。

三、如何選擇使用Deferred shading技術