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Deferred shading技术简介

来源：程序员人生   发布时间：2016-02-28 10:07:27 阅读次数：2205次

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, 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,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

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