Libgdx如何在3D中使用着色器

Question

Libgdx如何在3D中使用着色器

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我在我的WIP游戏中遇到了一个问题，希望能使其更具吸引力。目前，我向Environment添加了一些Ambientlight和Directionla-light，并使用它渲染场景。但现在我想为它添加自定义的Shader。因此，我一直在寻找一些教程，但几乎每个教程中他们都使用了另一种在游戏中使用Shader的"版本"：

给ModelBatch提供String或FileHandlevertex/fragment-shader
创建一个带有顶点和片元Shader的ShaderProgram。
使用这个顶点和片元Shader来创建一个新的DefaultShader。
创建一个实现Shader接口的类，并使用这个ShaderClass。

我认为还有更多可能性，因为还有ShaderProvider和其他类。
由于所有这些可能性让我有点困惑，所以我正在寻找能够指引我正确方向的人。
为了让您更容易理解，我会告诉您我拥有什么和我需要什么：
我有：

一个应该绘制一切的ModelBatch。
一个Array<ModelInstance>实例，我想要将Shader应用于其中。
一张纹理和它的法线贴图，都以Texture形式存储。
我的光源的position、direction和color，以及它的强度float。
环境光的color和强度，分别以Vector3和float给出。
光的"衰减"以Vector3形式给出。

我需要：

将Texture和其Normal Map绑定到Shader上。
将光源的位置、方向、颜色和强度传递给Shader。
将环境光的颜色和强度传递给Shader。
将Falloff向量传递给Shader。
使用这个Shader来渲染Array中的所有"instances"，它们都是使用我的ModelBatch绘制的。

我希望能够使用不同的纹理为不同的模型进行渲染。我有所有的ModelInstance都使用了带纹理的Material，并且我对于这些不同的纹理都有法线贴图。现在我想要根据ModelInstance的Material中的纹理，在Shader中绑定正确的纹理和法线贴图。

如果可能的话，更加“高级”的是在我的游戏中为不同的ModelTypes使用不同的Shader（例如Stonewall使用没有“Specularity”和“Reflection”的Shader，而Metalwalls则使用Specularity）。

在Libgdx中，最好的方法是什么？我应该如何绑定我拥有的不同变量？（例如，使用ShaderProgram时我可以使用setUniformi）

非常感谢。如果需要更多信息或者难以理解，请告诉我，我会尝试提出更好的问题。

编辑：我认为在我的情况下，最好的方法是创建一个实现Shader接口的新Shader类。但我想听听关于所有其他可能性的意见，包括设计、性能和可能的限制。

- Robert P

1个回答

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可以查看英文原文，
原文链接

- Xoppa · Accepted Answer

可以在这里找到关于3D API渲染管线的总体解释。这个教程指导您从零开始创建一个新的Shader。而这个教程展示了如何使用自定义属性将数据传递给着色器。这个维基页面还解释了如何使用Material Attributes以及DefaultShader支持哪些Attributes。

在LibGDX中，Shader和ShaderProgram之间有所不同。 ShaderProgram只是GPU实现（包括顶点和片段着色器程序），基本上只是编译后的GLSL文件。例如，您可以在ShaderProgram上设置uniform并使用它来渲染网格。但是，ShaderProgram本身并不“知道”它应该如何渲染模型。

Shader接口旨在弥合ShaderProgram和Renderable（后者是模型的最小可渲染部分）之间的差距。因此，Shader通常封装了一个ShaderProgram，并确保设置正确的uniform等（请注意，严格来说，Shader不必封装一个ShaderProgram。例如，在移除GLES1支持之前，还有一个GLES1着色器，它管理固定的渲染管道而不是封装一个ShaderProgram）。

BaseShader类是一个abstract帮助类，实现了Shader接口，封装了一个ShaderProgram并添加了一些帮助方法以轻松设置uniform。如果您扩展这个类，您可以很容易地register和set uniform，例如：

public class MyShader extends BaseShader {
    public final int u_falloff = register("u_falloff");
    ...
    @Override
    public void render (final Renderable renderable) {
        set(u_falloff, 15f);
        ...
        super.render(renderable);
    }
}

这将设置名为"u_falloff"的uniform变量为指定值15f（它将调用setUniformX）。如果ShaderProgram（glsl文件）没有实现称为"u_falloff"的uniform变量，则简单地忽略该调用。您也可以使用以下代码进行检查：if (has(u_falloff)) { /* 计算falloff并设置它 */ }。 BaseShader还为每个uniform添加了一个Validator和Setter的可能性。

DefaultShader扩展BaseShader，并为大多数Material Attributes添加了默认实现。如果您希望查看每个uniform变量的命名，请查看源代码。在实践中，如果你使用与DefaultShader相同的uniform变量命名，则可以仅指定glsl文件，让DefaultShader来设置uniform变量。当然，您可以扩展DefaultShader以添加其他uniform变量。

当您调用ModelBatch＃render（...）时，ModelBatch会向ShaderProvider查询要使用的Shader。这是因为每种可能的顶点属性和材质属性都可能需要不同的Shader。例如，如果您有两个ModelInstance（或更准确地说是两个Renderable），其中一个具有TextureAttribute.Diffuse，而另一个没有纹理但具有ColorAttribute.Diffuse。那么最常见的情况是，ShaderProvider需要创建两个不同的Shader。注意它们可以是相同的类（例如DefaultShader），但底层的GLSL文件可能是不同的。

DefaultShader使用预处理器宏（ubershader）来处理这个问题。根据顶点属性和材质属性，它将#define多个标志，导致glsl程序专门为该组合的顶点和材质属性编译。如果您想了解如何完成此操作，请查看glsl文件。

因此，在实践中，您可能需要自己的ShaderProvider和自己的Shader（通过从头开始实现、扩展BaseShader或扩展DefaultShader）。您可以扩展DefaultShaderProvider并在需要时回退到DefaultShader，例如：

public class MyShaderProvider extends DefaultShaderProvider {
    ... // implement constructor
    @Override
    protected Shader createShader (final Renderable renderable) {
        if (renderable.material.has(MyCustomAttribute.Type))
            return new MyShader(renderable);
        else
            return super.createShader(renderable);
    }
}

简而言之，如果您想使用自己的或修改后的ubershader，并使用与默认着色器相同的uniforms，那么只需提供glsl文件即可。如果您想使用相同的uniforms但添加一个或两个额外的uniforms，那么扩展DefaultShader可能很容易。否则（或者如果您正在学习着色器），我建议按照此教程从头开始创建着色器。