OpenGL Shader in OpenCASCADE
Abstract. As implementation of one of the strategic steps in OpenCASCADE visualization component development road-map, support for GLSL shader programs has been added in OpenCASCADE Technology 6.7.0.?
Key Words. OpenCASCADE, GLSL, Shader, Gooch Shader
1. Introduction
OpenCASCADE從6.7.0之后，Shader程序也成了源碼的一部分。程序開發(fā)者可以為實(shí)現(xiàn)各種特效提供自己的Shader程序。在TKOpenGl庫中就有Shader相關(guān)的類，如下圖所示：
OpenCASCADE中的Shader管理是完全自動完成的，和其他OpenGL的資源一樣。仔細(xì)看看這幾個類相關(guān)的函數(shù)，會發(fā)現(xiàn)與Qt中的Shader比較類似。對比使用，會加快對OpenGL Shader程序的理解。
在 OCCT6.7.0版本中的Shader程序還有一些局限性，如不能使用GLSL1.40版本或更新版本的功能。為了克服這個局限性，OCCT為了實(shí)現(xiàn)一 些shader的操作定義了一些uniform的變量，這樣Shader程序就不依賴于GLSL1.30定義的一些變量了，使程序的兼容性更好。在源文件 的Shaders文件夾中的Declarations.glsl中定義了這些變量，摘抄部分如下所示：
//
Vertex attributes
#ifdef VERTEX_SHADER
attribute vec4 occVertex;
attribute vec3 occNormal;
attribute vec4 occTexCoord;
attribute vec4 occVertColor;
#endif
//
Matrix state
uniform mat4 occWorldViewMatrix;
//
!< World-view matrix
uniform mat4 occProjectionMatrix;
//
!< Projection matrix
uniform mat4 occModelWorldMatrix;
//
!< Model-world matrix
uniform mat4 occWorldViewMatrixInverse;
//
!< Inverse of the world-view matrix
uniform mat4 occProjectionMatrixInverse;
//
!< Inverse of the projection matrix
uniform mat4 occModelWorldMatrixInverse;
//
!< Inverse of the model-world matrix
uniform mat4 occWorldViewMatrixTranspose;
//
!< Transpose of the world-view matrix
uniform mat4 occProjectionMatrixTranspose;
//
!< Transpose of the projection matrix
uniform mat4 occModelWorldMatrixTranspose;
//
!< Transpose of the model-world matrix
uniform mat4 occWorldViewMatrixInverseTranspose;
//
!< Transpose of the inverse of the world-view matrix
uniform mat4 occProjectionMatrixInverseTranspose;
//
!< Transpose of the inverse of the projection matrix
uniform mat4 occModelWorldMatrixInverseTranspose;
//
!< Transpose of the inverse of the model-world matrix
與OpenGL的內(nèi)置uniform變量對比會發(fā)現(xiàn)，主要內(nèi)容都是類似的：
//
uniform mat4 gl_ModelViewMatrix;
uniform mat4 gl_ProjectionMatrix;
uniform mat4 gl_ModelViewProjectionMatrix;
uniform mat4 gl_TextureMatrix[gl_MaxTextureCoords];
//
//
Derived matrix state that provides inverse and transposed versions
//
of the matrices above. Poorly conditioned matrices may result
//
in unpredictable values in their inverse forms.
//
uniform mat3 gl_NormalMatrix;
//
transpose of the inverse of the upper
//
leftmost 3x3 of gl_ModelViewMatrix
uniform mat4 gl_ModelViewMatrixInverse;
uniform mat4 gl_ProjectionMatrixInverse;
uniform mat4 gl_ModelViewProjectionMatrixInverse;
uniform mat4 gl_TextureMatrixInverse[gl_MaxTextureCoords];
uniform mat4 gl_ModelViewMatrixTranspose;
uniform mat4 gl_ProjectionMatrixTranspose;
uniform mat4 gl_ModelViewProjectionMatrixTranspose;
uniform mat4 gl_TextureMatrixTranspose[gl_MaxTextureCoords]
uniform mat4 gl_ModelViewMatrixInverseTranspose;
uniform mat4 gl_ProjectionMatrixInverseTranspose;
uniform mat4 gl_ModelViewProjectionMatrixInverseTranspose;
uniform mat4 gl_TextureMatrixInverseTranspose[gl_MaxTextureCoords]
看樣子OpenCASCADE為了GLSL版本兼容性也是動了些腦筋啊！
2.Test Shader
為 了方便在OpenCASCADE中測試自定義的Shader程序，OpenCASCADE在Draw Test Harness中提供了一個vshaderprog命令。如下圖所示為在Draw Test Harness中使用命令vshaderprog產(chǎn)生的Gouraud Shading和Phong Shading效果：
Figure 2.1 Gouraud Shading(Left) and Phong Shading(right) by OCCT
在Draw Test Harness中使用vshaderprog命令很簡單，如下圖所示：
Figure 2.2 vshaderprog usage
為指定的模型指定頂點(diǎn)著色器和片段著色器即可。
3.Gooch Shader
Gooch著色屬于非真實(shí)性圖像著色，主要用于繪制各種手冊、技術(shù)圖書上的示意圖。1998年，Bruce和Amy Gooch、Peter Shirley以及Elaine Cohen對示意圖進(jìn)行了調(diào)查并提出了使用噴槍和畫筆繪制的彩色示意圖特征：
v 表面邊界、輪廓邊緣及對象表面的不連續(xù)處通常是使用黑色曲線繪制；
v 使用一個單獨(dú)的光源，它會在對象上產(chǎn)生白色的高光；
v 光源通常位于對象的上方，這樣在對象的可見區(qū)域上，漫反射部分會在[0，1]中變化；
v ……
Figure 3.1 Gooch Shader Effect
上圖所示為Gooch著色器渲染出來的效果，看上去是不是很有感覺啊！以上圖片來自Amy Gooch, Bruce Gooch, Peter Shirley和Elaine Cohen的論文：
A Non-Photorealistic Lighting Model For Automatic Technical Illustration.
Department of Computer Science University of Utah. Utah大學(xué)還有著名的Utah Teapot。
在《OpenGL Shading Language》一書中發(fā)現(xiàn)了Gooch著色器的相關(guān)實(shí)現(xiàn)代碼，如下所示：
頂點(diǎn)著色器Gooch.vs:
//
//
Vertex shader for Gooch shading
//
//
Author: Randi Rost
//
//
Copyright (c) 2002-2005 3Dlabs Inc. Ltd.
//
//
See 3Dlabs-License.txt for license information
//
uniform vec3 LightPosition;
//
(0.0, 10.0, 4.0)
varying
float
NdotL;
varying vec3 ReflectVec;
varying vec3 ViewVec;
void
main()
{
LightPosition
= vec3(
0.0
,
10.0
,
4.0
);
vec3 ecPos
= vec3(gl_ModelViewMatrix *
gl_Vertex);
vec3 tnorm
= normalize(gl_NormalMatrix *
gl_Normal);
vec3 lightVec
= normalize(LightPosition -
ecPos);
ReflectVec
= normalize(reflect(-
lightVec, tnorm));
ViewVec
= normalize(-
ecPos);
NdotL
= (dot(lightVec, tnorm) +
1.0
) *
0.5
;
gl_Position
=
ftransform();
}
?
片段著色器Gooch.fs：
//
//
Fragment shader for Gooch shading
//
//
Author: Randi Rost
//
//
Copyright (c) 2002-2005 3Dlabs Inc. Ltd.
//
//
See 3Dlabs-License.txt for license information
//
uniform vec3 SurfaceColor;
//
(0.75, 0.75, 0.75)
uniform vec3 WarmColor;
//
(0.6, 0.6, 0.0)
uniform vec3 CoolColor;
//
(0.0, 0.0, 0.6)
uniform
float
DiffuseWarm;
//
0.45
uniform
float
DiffuseCool;
//
0.45
varying
float
NdotL;
varying vec3 ReflectVec;
varying vec3 ViewVec;
void
main()
{
SurfaceColor
= vec3(
0.75
,
0.75
,
0.75
);
WarmColor
= vec3(
0.6
,
0.6
,
0.0
);
CoolColor
= vec3(
0.0
,
0.0
,
0.6
);
DiffuseWarm
=
0.45
;
DiffuseCool
=
0.45
;
vec3 kcool
= min(CoolColor + DiffuseCool * SurfaceColor,
1.0
);
vec3 kwarm
= min(WarmColor + DiffuseWarm * SurfaceColor,
1.0
);
vec3 kfinal
=
mix(kcool, kwarm, NdotL);
vec3 nreflect
=
normalize(ReflectVec);
vec3 nview
=
normalize(ViewVec);
float
spec = max(dot(nreflect, nview),
0.0
);
spec
= pow(spec,
32.0
);
gl_FragColor
= vec4(min(kfinal + spec,
1.0
),
1.0
);
}
將它們加載到OpenCASCADE中，顯示效果如下圖所示：
Figure 3.2 A Main Engine in Draw Test Harness
Figure 3.3 Use Gooch Shader Program
由上圖可知，Shader有一定的作用，但效果不是很理想。還需要學(xué)習(xí)相關(guān)的知識，才能完善。如果在OpenCASCADE中只修改下shader就可以得到各種特效，豈不快哉！
4.Conclusion
綜上所述，OpenGL的Shader是個很好玩的東西，所以O(shè)penCASCADE中引入了這個。為了保證GLSL的兼容性，OpenCASCADE也定義了一些變量。
在不改變程序源碼的情況下，只換上不同的shader，就可以得到各種炫麗的特效，這些特效主要是利用GPU的資源完成，不占用CPU。看OpenGL最新的規(guī)格書中，GLSL已經(jīng)越來越Fashion了！
5. References
1. Randi J. Rost. OpenGL Shading Language. Addison Wesley. 2006
2. Amy Gooch, Bruce Gooch, Peter Shirley, Elaine Cohen. A Non-Photorealistic Lighting Model For Automatic Technical Illustration. Department of Computer Science University of Utah.
3. San, Shader support in OCCT6.7.0. http://dev.opencascade.org/index.php?q=node/902
?
PDF version and Gooch Shader OpenGL Shader in OpenCASCADE
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