[GPU프로그래밍] 5. The Basics of GLSL Shaders

◾ Diffuse Shading

• Diffuse and Per-vertex Shading with a Single Point Light Sources

◾ Diffuse reflection

• Light vector와 normal vector를 내적하여 밝기 결정
  • $L_d$: 광원의 밝기
  • $K_d$: 산란되는 입사광의 비율을 나타내는 diffuse 반사계수
    
  • 내적값<0인 조명의 반대편은 완전 검정이다

📃 Code

• 버텍스와 normal을 Camera coordinate로 변환
• Diffuse shading 계산 시 음수가 나오지 않도록 최소값 0으로 설정
• (보통 reflection은 vertex가 아닌 fragment에서 하긴 하는데,, 여기선 vertex에서 함 -> fixed pipeline에서는 per-vertex로 계산하긴 했었다..)
• vertex shader에서 계산된 LightIntensity가 Input으로 들어오고, 그대로 내보냄

◾ Transforming Normals

• Position A, B와 그 표면에 대한 노멀N
• Polygon AB가 변환$M$이 생겼을 때 (x축으로 2배)
• 변환된 Polygon에 맞게 normal도 변환$M^{-1T}$ 필요
  (rotation만 있는 경우는 $M=M^{-1T}$라 polygon변환과 같게 해주면 되지만, Scaling도 들어가면 $M≠M^{-1T}$이라 추가 계산 필요)

◾ Phong reflection model

• diffuse뿐만 아니라 ambient, specular (3개의 term)으로 이루어진 reflection model

📃 Code

• 위와 거의 동일, 계산만 다름
• Input이 많아서 구조체 사용

◾ Functions in shaders

• const qualifier: input 매개변수가 함수 내에서 값이 바뀌지 않도록 (not with out or inout)
• Function overloading: 같은 이름을 가진 함수가 여러개 있을 수 있음
• 배열/구조체를 함수로 보내는 경우: call by value방식(복사)이라 메모리 문제가 생길 수 있음, 가능하면 global 변수로 보내는 것이 좋다

📃 Code

• 위의 phong reflection model의 코드를 함수를 사용해서 나타내면 아래와 같다 (간결!)

◾ Two-sided Shading

• 뒷면까지 렌더링하기 위해서, 기존 노멀 방향을 뒤집어서 반대 노멀 방향까지 고려해야함

📃 Code

• normal을 반전시켜 phongModel 계산해서 뒷면의 color를 얻음
• 어떤 경우에 front/back color를 칠할지 고려해야함
  -> 전/후면 구별 필요 (2가지 방법)

1. gl_ForntFacing (fragment shader)
   • index buffer에 저장된 정보 중 Polygon의 버텍스가 그려지는 순서(winding)을 보고 구별
   • Polygon 단위 정보이므로 fragment에서만 알 수 있다
     -> color 계산 후 전/후면 판별
2. Alternative Choice (vertex shader)
   • winding이 잘 안되있는 경우도 존재, 그럴때는 기존 normal과 view dir을 내적하여 확인
   • vertex에서 알 수 있음
     -> 전/후면 판별하면서 color 계산

Debugging

• color로 확인하는 경우가 많다
• winding이 잘 돼있는지 확인하기 위해 후면인 경우 빨강으로 그려본,,~ (원래 색이랑 좀 mix한 상태, 하지 않으면 너무 평면처럼 보여서 오히려 파악이 더 어려움)

◾ Flat Shading

• 한 polygon에 같은 색

  • fixed pipeline에서는 버텍스마다 똑같은 color를 파이프라인에 보내준다 ?

• Polygon의 vertex 중 하나만 선택하여 색을 결정하게 됨 (Provoking vertex)
  (원래는 vertex에서 fragment로 넘어갈 때, interpolation해서 색 결정됨)
• vertex shader의 out, fragment shader의 in variable에 flat qualifier 사용
• Polygon의 몇 번째 vertex를 사용할 것인지 (default: 첫번째 vertex)
• flat 효과 뿐만 아니라, 한 polygon에 vertex 상관없이 동일한 값을 주고싶은 경우 등.. 활용 가능

◾ Subroutines

• select shader functionality
• 상황에 따라 렌더링을 다르게하기 위해 Uniform변수를 조건으로 활용하여 함수 mappinig
  (조건문 느낌-if문은 시간이 좀 걸려서.. 요새는 아니긴 하지만)
  • OpenGL Application에서 shader별로 프로그램 만들어서 if문으로 하는 방법도 있긴 있음
• Shader 코드에서는 Subroutine Type Uniform변수를 받아 그에따른 함수 실행
• OpenGL Application에서는 Uniform변수에 따른 함수 mapping
  • 해당 shader program의 handle값을 사용하여 특정 함수의 index값을 받아온다
  • 그 index값으로 subroutine에 mapping할 함수를 지정한다
    (mapping할 함수는 여러개 지정할 수 있어서 주소값으로 전달)
  • Subroutine uniform변수를 지정하고 넘겨주는 부분이 없음 (기존 uniform변수처럼 주소값 받아서 넘겨주는..)
    -> Subroutine Type이 default로 0, 1, ..로 지정되기 때문

◾ Discarding Fragments

• to create a perforated look
• fragments를 버리는 것 -> 구멍 (배경을 먼저 그리기 때문에 배경이 보임)

📃 Code

• 뚫린 부분으로 보이는 뒷부분(안쪽)을 칠해주기 위해 backColor도 계산
• Texture coordinate를 사용해서 일정하게 뚫리도록 함
  • TexCoord에 15를 곱해서 [0, 15]범위로 만든 뒤, 소수부분만 남겨서 0~0.9가 15번 반복되도록 한다
  • 그 TexCoord를 vec(0.2, 0.2)와 비교하여 0.2보다 큰 경우에 fragments를 버린다 -> 격자무늬
  • color를 그리는 과정은 버려지지 않은 fragments에만 하면 되므로 버린 뒤에 진행한다