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원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?dirlightpix

GLSL에서 텍스쳐링 연산을 하기 위해서, 버텍스에 대한 텍스쳐 좌표에 접근해야 한다. GLSL은  각 텍스쳐 유닛 각각에 대한 Attribute 변수들을 제공한다.

attribute vec4 gl_MultiTexCoord0;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord1;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord2;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord3;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord4;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord5;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord6;
attribute vec4 gl_MultiTexCoord7;

또한 GLSL은 uniform 변수 배열 형태로 각 텍스쳐에 대한 텍스쳐 행렬에 접근할 수 있다.

uniform mat4 gl_TextureMatrix[gl_MaxTextureCoords];

버텍스 쉐이더는 OpenGL 어플리케이션에서 지정한 텍스쳐 좌표 등을 얻을 수 있다. 버텍스에 대한 텍스쳐 좌표를 계산을 해야하고, 계산후에 미리 정의된 varying 변수인 gl_TexCoord[i] 변수에 계산된 텍스쳐 좌표를 저장하는데, 여기서 i는 텍스쳐 유닛에 대한 인덱스이다.

텍스쳐에 대한 텍스쳐 좌표를 설정하는 간단한 버텍스 쉐이더는 아래와 같다. 사용하는 텍스쳐 유닛은 0이다.

void main() {
    gl_TexCoord[0] = gl_MultiTexCoord0;
    gl_Position = ftransform();
}

만약 텍스쳐 행렬을 사용하길 원한다면 아래와 같다.

void main() {
    gl_TexCoord[0] = gl_TextureMatrix[0] * gl_MultiTexCoord0;
    gl_Position = ftransform();
}

gl_TexCoord가 Varying 변수라고 언급했었는데, 예를들어서 이 gl_TexCoord는 프레그먼트 쉐이더에서 계산된 텍스쳐 좌표를 접근하는데 사용될 수 있다.

텍스쳐 값에 접근하기 위해서, 프레그먼트 쉐이더에서는 특별한 타입의 변수을 선언할 필요가 있다. 2D 텍스쳐에 대해서는 다음과 같다.

uniform sampler2D tex;

1D와 3D 텍스쳐에 대한 데이터 타입도 가능한데, 일반적인 포멧은 sampler_i_D이며 _i_에 해당하는 것이 텍스쳐의 차원이다. 사용하고자 하는 텍스쳐 유닛을 포함하는 tex 변수를 선언한다. 텍셀(텍스쳐 이미지의 화소 색상)을 제공하는 함수는 texture2D이다. 이 함수는 sampler2D와 텍스쳐의 좌표를 인자로 받으며 텍셀값을 반환한다. 아래에 texture2D 함수에 대한 시그니쳐가 있다.

vec4 texture2D(sampler2D, vec2);

반환값은 OpenGL 어플리케이션에서 설정된 모든 텍스쳐 설정값을 고려해서 계산되어진 값인데, 예를들어서 필터링, 밉맵, 클램프 등이다. 프레그먼트 쉐이더에서는 아래처럼 작성할 수 있다.

uniform sampler2D tex;
	
void main()
{
    vec4 color = texture2D(tex,gl_TexCoord[0].st);
    gl_FragColor = color;
}

gl_TexCoord에 접근할때 선택자 st의 사용에 주의하라. GLSL의 데이터 타입과 변수에 관해 앞서 언급했던것처럼, 텍스쳐 좌표에 접근할때는 선택자는 s,t,p,q가 될 수 있다. r은 rgb 선택자들과 충돌하기 때문에 사용하지 않는다.

원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?dirlightpix

이 강좌는 이전 강좌에서 제공되는 코드의  90% 이상의 내용에 기반하고 있다. Point Light와 비교해 Spot Light에서 유일하게 차이점은, Point Light는 모든 방향으로 빛을 방사하는데 반해서 Spot Light는 제한 영역에만 빛을 받는다는 점이다.

OpenGL 어플리케이션의 관점에서 다음과 같은 차이들이 있다.

• Spot Light는 방향을 가지고 있으며(spotDirection) 이 방향은 Spot Light의 Cone의 축이다.
• Cone의 각도가 있다. GLSL은 어플리케이션에서 지정되어진 것으로써와 spotCosCutoff라는 cosine 변수로써, 이둘 모두를 제공한다.
• 마지막으로 감쇄 비율이 있다(spotExponent). 예를들어서, 빛의 강도가 Cone의 원 모양의 밑바닥의 중심점으로부터 어떤식으로 감소하는지를 측정하는 것이다.

버텍스 쉐이더는 이전 강좌의 Point Light와 동일하고 프레그먼트 쉐이더에서 몇가지 변경이 있다. Diffuse, Specular 그리고 Ambient 요소는 오직 빛의 Cone의 안쪽에서 프레그먼트에만 영향을 미친다. 그러므로 우리가 먼저 해야할 첫번째것은 Cone 안쪽의 프레그먼트의 검사이다.

버텍스 벡터에서 빛 사이의 Cosine 각도와 Spot 방향은 반드시 spotCosCutoff보다 넓어야 한다. 만약 그렇지 않으면, 프레그먼트는 Cone의 바깓에 있고 단지 전역 Ambient 요소의 광원 효과만 받게 된다.

    ...

    n = normalize(normal);

    /* compute the dot product between normal and ldir */
    NdotL = max(dot(n,normalize(lightDir)),0.0);

    if (NdotL > 0.0) {
        spotEffect = dot(normalize(gl_LightSource[0].spotDirection), 
                         normalize(-lightDir));
        if (spotEffect> gl_LightSource[0].spotCosCutoff) {
	
            /* compute the illumination in here */

        }
    }
	
gl_FragColor = ...

조도의 계산은 Point Light의 경우에 매우 많이 비슷한데, 유일한 차이점은 감쇄값은 아래의 공식의 Spot Light의 효과(spotEffect)와 곱해져야 한다는 것이다.
spotDirection은 빛의 상태로부터 얻어진 값이며, lightDir은 광원으로부터 버텍스까지의 벡터이며, spotExp는 Spot의 감쇄비율이다. 이것 역시 OpenGL의 상태로부터 가져오며, 빛들의 강도가 Cone의 중심으로부터 Cone의 경계까지 어떻게 점점 감쇄하는지를 조정한다. 값이 크면 클수록 더 빨리 빛의 강도가 감쇄하며, Zero(0)의 의미는 빛의 Cone 안에서 일정한 빛의 강도를 의미한다.

spotEffect = pow(spotEffect, gl_LightSource[0].spotExponent);
att = spotEffect / (gl_LightSource[0].constantAttenuation +
      gl_LightSource[0].linearAttenuation * dist +
      gl_LightSource[0].quadraticAttenuation * dist * dist);

color += att * (diffuse * NdotL + ambient);

halfV = normalize(halfVector);
NdotHV = max(dot(n,halfV),0.0);
color += att * gl_FrontMaterial.specular * 
         gl_LightSource[0].specular * 
         pow(NdotHV,gl_FrontMaterial.shininess);

아래의 이미지는 OpenGL의 고정기능의 결과와 우리의 Spot Light Per Pixel에 대한 결과이다. OpenGL의 고정기능은 버텍스에 대해서 빛의 효과를 계산하는데 반해 우리의 Spot Light는 픽셀(프레그먼트)에 대해 빛의 효과를 계산한다.

원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?dirlightpix

이 튜터리얼은 Directional Lights의 코드의 99% 상당 부분에 기반하고 있다. 이 튜토리얼은 Directional Light와 Point Light의 차이점에 대해 기반한다. Directional Light는 무한이 멀리 있다고 가정되므로 빛에 대한 광선이 모든 물체에 도달할때 평행하다.  반면에, Point Light는 위치를 가지고 있으며 모든 방향에서 광선을 보낸다. 더욱이 Point Light에서는, 버텍스와의 거리가 멀어질 수 록 빛의 강도가 감쇄한다.

OpenGL 어플리케이션의 관점으로부터, Directional Light와 Point Light 사이에는 두가지 차이점이 있다.

• 광원의 위치 필드중 w 요소 : Directional Light에서는 이 값은 0이지만 Point Light에서는 1이다.
• 빛의 감쇄는 세개의 계수에 기반한다 : 상수항, 1차항, 2차항

계산식 관점에서 이들 차이를 살펴봐야한다. Directional Light의 경우, 빛의 광선의 방향은 모든 버텍스에 대해서 일정하지만, Point Light의 경우, 빛의 위치에서 시작해서 각 버텍스까지의 벡터이다. 그러므로 버텍스 쉐이더에서 변경해야할 것은 빛의 방향을 계산하는 것이다. 빛의 감쇄는 OpenGL에서 다음 공식에 기반하여 계산된다.
k0은 상수항 감쇄이고, k1은 1차항 감쇄, k2는 2차항감쇄이며 d는 빛의 위치와 버텍스 사이의 거리이다.

주의할것은, 빛의 감쇄 모델은 거리에 따른 선형회귀가 아니라는 점이다. 그래서 버텍스에 대해 감쇄를 계산할 수 없으며 프레그먼트 쉐이더에서 보간된 값을 사용할 수 없다. 그러나 우리는 버텍스 쉐이더에서 거리를 계산할 수 있고 프레그먼트 쉐이더에서 보간된 거리를 사용해 감쇄를 계산할 수 있다.

Point Light에 대한 색상에 대한 공식은 다음과 같다.

위의 공식을 보면, ambient항은 반드시 2개로 나눠야 한다: 광원 모델 Ambient 설정을 이용한 전역 Ambient 항과 빛에 대한 일반 Ambient 항. 버텍스 쉐이더는 정확하게 Ambient 항의 계산을 구분해야 한다. 아래는 새로운 버텍스 쉐이더에 대한 코드이다.

varying vec4 diffuse,ambientGlobal,ambient;
varying vec3 normal,lightDir,halfVector;
varying float dist;
	
void main()
{	
    vec4 ecPos;
    vec3 aux;
		
    normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
		
    /* these are the new lines of code to compute the light's direction */
    ecPos = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex;
    aux = vec3(gl_LightSource[0].position-ecPos);
    lightDir = normalize(aux);
    dist = length(aux);
	
    halfVector = normalize(gl_LightSource[0].halfVector.xyz);
		
    /* Compute the diffuse, ambient and globalAmbient terms */
    diffuse = gl_FrontMaterial.diffuse * gl_LightSource[0].diffuse;
		
    /* The ambient terms have been separated since one of them */
    /* suffers attenuation */
    ambient = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightSource[0].ambient;
    ambientGlobal = gl_LightModel.ambient * gl_FrontMaterial.ambient;
	
    gl_Position = ftransform();
}

프래그먼트 쉐이더는 감쇄를 계산해야 한다. 해석된 빛의 방향을 정규화도 해야해야 하는데, 방향은 모든 버텍스에 대해서 다르기 때문이다.

varying vec4 diffuse,ambientGlobal, ambient;
varying vec3 normal,lightDir,halfVector;
varying float dist;	
	
void main()
{
    vec3 n,halfV,viewV,ldir;
    float NdotL,NdotHV;
    vec4 color = ambientGlobal;
    float att;

    /* a fragment shader can't write a varying variable, hence we need
       a new variable to store the normalized interpolated normal */
    n = normalize(normal);

    /* compute the dot product between normal and normalized lightdir */
    NdotL = max(dot(n,normalize(lightDir)),0.0);
	
    if (NdotL > 0.0) {
        att = 1.0 / (gl_LightSource[0].constantAttenuation +
              gl_LightSource[0].linearAttenuation * dist +
              gl_LightSource[0].quadraticAttenuation * dist * dist);
        color += att * (diffuse * NdotL + ambient);
		
        halfV = normalize(halfVector);
        NdotHV = max(dot(n,halfV),0.0);
        color += att * gl_FrontMaterial.specular * 
                 gl_LightSource[0].specular * 
                 pow(NdotHV,gl_FrontMaterial.shininess);
    }

    gl_FragColor = color;
}

아래의 이미지는 Point Light와 OpenGL의 고정 기능에 의해 계산된 빛에 대한 차이를 보여준다. 하나는 버텍스에 대한 광원이고 다른 하나는 이 튜터리얼의 쉐이더를 이용한 픽셀에 대한 광원이다.

 

원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?dirlightpix

이 션섹에서는 이전 셕센에서의 쉐이더를 Directional Light를 픽셀 마다 계산하도록 수정할 것이다.

먼저 버텍스 당 우리가 받는 정보를 살펴보면, …

• 법선벡터
• Half 벡터
• 빛의 방향

법선벡터를 카메라 공간 좌표계로 변환하고 정규화해야한다. 또한 이미 카메라 공간 좌표계인 Half 벡터와 빛의 방향 벡터 역시 정규화해야 한다. 이들 정규화된 벡터는 보간되어질 것이고 프레그먼트 쉐이더로 보내지는데, 이를 위해서 정규화된 벡터를 유지하기 위해서 varying 변수를 선언할 필요가 있다.

버텍스 쉐이더에서는 광원설정값과 재질을 조합하는 몇가지 연산을 수행할 수 있다.

아래는 버텍스 쉐이더의 코드이다.

varying vec4 diffuse,ambient;
varying vec3 normal,lightDir,halfVector;
	
void main()
{	
    /* first transform the normal into eye space and 
    normalize the result */
    normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
		
    /* now normalize the light's direction. Note that 
       according to the OpenGL specification, the light 
       is stored in eye space. Also since we're talking about 
       a directional light, the position field is actually direction */
    lightDir = normalize(vec3(gl_LightSource[0].position));
	
    /* Normalize the halfVector to pass it to the fragment shader */
    halfVector = normalize(gl_LightSource[0].halfVector.xyz);
					
    /* Compute the diffuse, ambient and globalAmbient terms */
    diffuse = gl_FrontMaterial.diffuse * gl_LightSource[0].diffuse;
    ambient = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightSource[0].ambient;
    ambient += gl_LightModel.ambient * gl_FrontMaterial.ambient;
	
    gl_Position = ftransform();
}

이제 프레그먼트 쉐이더에 대해서 살펴보자. 동일한 Varying 변수가 선언되어야 한다. 법선벡터를 다시 정규화해야한다. 하지만 빛의 방향벡터는 다시 정규화할 필요가 없다. 우리는 Directional Light에 대해 이야기 하고 있으므로 이 마지막 벡터는 모든 버텍스에 공통이다(쌩뚱맞은 말같은데……. =_=). 두개의 동일한 벡터 사이의 보간에 대한 결과는 같은 벡터이므로, 다시 정규화할 필요가 없는 것이다. 다음으로 우리는 보간되고 정규화된 법선벡터와 빛의 방향 벡터를 내적계산한다. 아래가 여기서 언급한 프레그먼트 쉐이더에 대한 시작 부분에 대한 코드이다.

varying vec4 diffuse,ambient;
varying vec3 normal,lightDir,halfVector;

void main()
{
    vec3 n,halfV;
    float NdotL,NdotHV;
		
    /* The ambient term will always be present */
    vec4 color = ambient;
		
    /* a fragment shader can't write a varying variable, hence we need
       a new variable to store the normalized interpolated normal */
    n = normalize(normal);
		
    /* compute the dot product between normal and ldir */
    NdotL = max(dot(n,lightDir),0.0);
	
    ....
}

만약 NdotL이 0보다 크다면, Diffuse 요소를 계산해야 하는데, 버텍스 쉐이더로부터 받은 Diffuse 설정값은 내적값으로 곱해진다. Specular 요소도 반드시 계산해야 한다. Specular 요소를 계산하기 위해서는 먼저 버텍스 쉐이더로부터 받은 halfVector를 정규화해야하고, halfVector와 normal 간의 내적 계산을 한다.

    ....

    if (NdotL > 0.0) {
        color += diffuse * NdotL;
        halfV = normalize(halfVector);
        NdotHV = max(dot(n,halfV),0.0);
        color += gl_FrontMaterial.specular * 
        gl_LightSource[0].specular * 
        pow(NdotHV, gl_FrontMaterial.shininess);
    }
	
    gl_FragColor = color;
}

다음 이미지는 Per Pixel과 Per Vertex 광원에 대한 결과화면이다.