GLSL着色器生成法线

Question

您好，我正在编写一个3D建模应用程序，并希望在OpenGL中加速渲染。目前我使用的是glBegin / glEnd，这是一种非常慢且已经过时的方法。我需要绘制非常快速的平面阴影模型。我每个帧都在CPU上生成法向量，这非常慢。我尝试使用具有索引几何的glDrawElements，但是在法线生成方面有问题，因为法线是在顶点而不是三角形级别指定的。
另一个想法是使用GLSL在几何着色器中在GPU上生成法线。 我为法线生成编写了以下代码：

#version 120 
#extension GL_EXT_geometry_shader4 : enable

vec3 NormalFromTriangleVertices(vec3 triangleVertices[3])
{
    // now is same as RedBook (OpenGL Programming Guide)
    vec3 u = triangleVertices[0] - triangleVertices[1];
    vec3 v = triangleVertices[1] - triangleVertices[2];
    return cross(v, u);
}

void main()
{
    // no change of position
    // computes normal from input triangle and front color for that triangle

    vec3 triangleVertices[3];
    vec3 computedNormal;

    vec3 normal, lightDir;
    vec4 diffuse;
    float NdotL;

    vec4 finalColor;

    for(int i = 0; i < gl_VerticesIn; i += 3)
    {
        for (int j = 0; j < 3; j++)
        {
            triangleVertices[j] = gl_PositionIn[i + j].xyz;
        }
        computedNormal = NormalFromTriangleVertices(triangleVertices);
        normal = normalize(gl_NormalMatrix * computedNormal);

        // hardcoded light direction 
        vec4 light = gl_ModelViewMatrix * vec4(0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
        lightDir = normalize(light.xyz);

        NdotL = max(dot(normal, lightDir), 0.0);

        // hardcoded
        diffuse = vec4(0.5, 0.5, 0.9, 1.0);

        finalColor = NdotL * diffuse; 
        finalColor.a = 1.0; // final color ignores everything, except lighting

        for (int j = 0; j < 3; j++)
        { 
            gl_FrontColor = finalColor;
            gl_Position = gl_PositionIn[i + j];
            EmitVertex();
        }
    }
    EndPrimitive();
}

当我将着色器集成到我的应用程序中时，没有速度提升发生。它比以前还要糟糕。我是GLSL和着色器总体上的新手，所以我不知道我做错了什么。 我在带有Geforce 9400M的MacBook上尝试了这段代码。 更明确地说，这是我想要替换的代码：

- (void)drawAsCommandsWithScale:(Vector3D)scale
{
    float frontDiffuse[4] = { 0.4, 0.4, 0.4, 1 };
    CGFloat components[4];
    [color getComponents:components];
    float backDiffuse[4];
    float selectedDiffuse[4] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1 };

    for (uint i = 0; i < 4; i++)
        backDiffuse[i] = components[i];

    glMaterialfv(GL_BACK, GL_DIFFUSE, backDiffuse);
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, frontDiffuse);

    Vector3D triangleVertices[3];

    float *lastDiffuse = frontDiffuse; 

    BOOL flip = scale.x < 0.0f || scale.y < 0.0f || scale.z < 0.0f;

    glBegin(GL_TRIANGLES);

    for (uint i = 0; i < triangles->size(); i++)
    {
        if (selectionMode == MeshSelectionModeTriangles) 
        {
            if (selected->at(i))
            {
                if (lastDiffuse == frontDiffuse)
                {
                    glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, selectedDiffuse);
                    lastDiffuse = selectedDiffuse;
                }
            }
            else if (lastDiffuse == selectedDiffuse)
            {
                glMaterialfv(GL_BACK, GL_DIFFUSE, backDiffuse);
                glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, frontDiffuse);
                lastDiffuse = frontDiffuse;
            }
        }    
        Triangle currentTriangle = [self triangleAtIndex:i];
        if (flip)
            currentTriangle = FlipTriangle(currentTriangle);

        [self getTriangleVertices:triangleVertices fromTriangle:currentTriangle];
        for (uint j = 0; j < 3; j++)
        {
            for (uint k = 0; k < 3; k++)
            {
                triangleVertices[j][k] *= scale[k];
            }
        }
        Vector3D n = NormalFromTriangleVertices(triangleVertices);
        n.Normalize();
        for (uint j = 0; j < 3; j++)
        {
            glNormal3f(n.x, n.y, n.z);
            glVertex3f(triangleVertices[j].x, triangleVertices[j].y, triangleVertices[j].z);            
        }
    }

    glEnd();    
}

正如你所看到的，这非常低效，但它可以工作。triangles是一个指向vertices数组中索引的数组。

我尝试使用这段代码进行绘制，但我不能只有一个索引数组而不是两个（一个用于顶点，另一个用于法线）。

glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);

uint *trianglePtr = (uint *)(&(*triangles)[0]); 
float *vertexPtr = (float *)(&(*vertices)[0]);

glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertexPtr);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, triangles->size() * 3, GL_UNSIGNED_INT, trianglePtr);
glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);

现在，当一些顶点被不同的三角形共享时，我该如何指定法线指针，以便为它们提供不同的法线？

- Filip Kunc

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在使用glVertexPointer和glDrawElements协作时出了什么问题？你可以使用任何顶点法线算法来计算每个顶点的法线。 - pmr

顺便提一下，你的着色器现在用于每个三角形。这将是主要的瓶颈。你的解决方法是使用glDrawElements或VBOs。 - pmr

棘手的问题在于我不想为每个顶点生成法线，而是为每个三角形生成。 - Filip Kunc

这并不奇怪，因为点没有“本地”法线。顶点的法线通常是所有与其“连接”的表面的法线的平均值。这个法线近似的准确性将决定你的照明质量。 - pmr

Answer 1

所以我终于成功提高了渲染速度。我在CPU上重新计算法线，仅当顶点或三角形发生更改时，这仅在一个网格中工作时才会发生。

这不是我想要的解决方案，但在现实世界中比以前的方法更好。
我将整个几何图形缓存到单独的法线和顶点数组中，无法使用索引绘制，因为我想要平坦着色（类似于3ds max中的平滑组问题）。
我使用简单的glDrawArrays和用于光照顶点着色器，因为我想在三角形模式下选择不同颜色的选定三角形和另一种未选择的颜色，并且没有材料数组（我没有找到任何一个）。

- Filip Kunc

Answer 2

通常情况下，不会在每帧计算法线，只有在几何图形发生变化时才会进行计算。为了使每个三角形仅对应一个法线，只需要为三角形中的每个顶点设置相同的法线。这意味着您无法在网格的相邻三角形之间共享顶点，但在这种情况下这并不罕见。

- jcoder

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我不明白，例如立方体有12个三角形和8个顶点。所以我需要12个法线，12个索引和8个顶点。我还没有想出如何在OpenGL中调用它。唯一想到的方法是做12 * 3个顶点，将共享的顶点复制到这个缓冲区中，并做12 * 3个法线，但要牺牲索引绘图，这样可以解决问题，但很丑陋。 - Filip Kunc

你说得没错，在游戏中法线向量通常不会每一帧都改变，但我正在编写一个应用程序，它允许选择三角网格的顶点并对其进行缩放、旋转等操作。因此，法线向量会经常改变，并且在每一帧都需要更新。我可以通过仅更新已更改的三角形来加快速度，但在某些情况下这并不能起到作用，所以我希望它能够整体上快速运行。 - Filip Kunc

Answer 3

你的问题让我想起了这篇没有法线的法线博客文章。

- Gregory Pakosz

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好文，但对我而言有点过于深奥了。 - Filip Kunc