【GAMES202-LEC-02】高质量实时渲染 Recap of CG Basics

1. 顶点着色器
输入的每个顶点都会调用一次顶点着色器,主要完成坐标变换(如改变顶点位置模拟水面,布料等),逐顶点光照。并输出后续阶段所需要的数据
2. 曲面细分着色器:它是可以选择的，主要是用于细分图元
3. 几何着色器: 用于执行逐图元操作,用于产生更多的图元
4. 剪裁: 将不在摄像机视野的顶点剪裁掉,并剔除某些三角图元的曲面
5. 屏幕映射: 将每个图元的x和y坐标转换到屏幕坐标系

1. 三角形设置
该阶段计算光栅化一个三角形网格需要的信息。具体来说，上个阶段输出过来的都是三角网格的顶点，即三角网格每条边的两个端点。但如果要得到整个三角网格对像素的覆盖情况，我们就必须计算每条边上的像素坐标。为了能够计算边界像素的坐标信息，我们就需要得到三角形边界的表示方法。这就是一个计算三角网格表示数据的过程。
2. 三角形覆盖
该阶段会检查每个像素是否被一个三角网格覆盖，如果被覆盖就会生成一个片元。该阶段会根据上一阶段的计算结果判断一个三角网格覆盖了哪些像素，并用三角网格的三个顶点的信息对覆盖区域的像素进行插值。这一阶段会输出一个片元序列。
3. 片元着色器
顾名思义，给每个像素着色。该阶段可由开发者编程实现一些渲染效果，并完成很多重要的渲染技术，如纹理采样等。片元着色器仅能影响单个片元。
4. 逐片元操作
在DriectX中又称为输出合并阶段

* Model specification
* Model transformation
* 顶点缓冲对象,VBO(Vertex Buffer Objects)
   * 顶点缓冲对象VBO是在显卡存储空间中开辟出的一块内存缓存区，用于存储顶点的各类属性信息，如顶点坐标，顶点法向量，顶点颜色数据等。在渲染时，可以直接从VBO中取出顶点的各类属性数据，由于VBO在显存而不是在内存中，不需要从CPU传输数据，处理效率更高。
   * 可以理解为VBO就是显存中的一个存储区域，可以保持大量的顶点属性信息。并且可以开辟很多个VBO，每个VBO在OpenGL中有它的唯一标识ID，这个ID对应着具体的VBO的显存地址，通过这个ID可以对特定的VBO内的数据进行存取操作。
   * VBO与.obj文件十分相似
* 使用OpenGL函数获取矩阵:glTranslate,glMultMatrix,etc

* 视图变换:放置相机,e,g,gluPerspective
* OpenGL中的画架:framebuffer

* 同一个画架换画布来画不同的图，即指定一个framebuffer之后可以渲染出很多不同的textures
* 双重缓冲，垂直同步，三重缓冲

* i,e.,画画就是在做shading
* 本系列只会用到顶点像素着色
* For each vertex in parallel:OpenGL调用vertex shader(MVP:ModelView,Projection):Transform vertex,other ops
* 将三角形打成片段
* 将每个片段着色,使用片段着色器
* OpenGL进行深度测试

* Specify objects,camera,MVP,etc
* Specify framebuffer and i/o textures
* Specify vertex/fragment shaders
* Render!

顶点着色器编写的两件事:顶点变换,告诉片段着色器当中需要插值的量
// 顶点着色器针对的是个体，因此不包括for循环
// 顶点位置,vec3:(x,y,z)坐标,attribute关键字:顶点属性
attribute vec3 aVertexPosition;
// 顶点法线属性
attribute vec3 aNormalPosition;
// 顶点纹理坐标
attribute vec2 aTextureCoord;
// unifrom: 全局变量,直接从CPU扔到GPU中
//uModelViewMatrix:坐标变换矩阵栈
uniform mat4 uModelViewMatrix;
// uProjectionMatrix:投影矩阵
uniform mat4 uProjectionMatrix;
// varying: 声明顶点颜色变量,指定到Fragment shader中有相同的定义
// highp:32位浮点数格式，适用于顶点变换，但是性能最慢，放置再数据类型前
varying highp vec2 vTextureCoord;
varying highp vec3 vFragPos;
varying highp vec3 vNormal;
void main(void)
{
    vFragPos = aVertexPosition;
    vNormal = aNormalPosition;

    gl_position = uProjectionMatrix * uModelViewMatrix *vec4(aVertexPosition,1.0);
    vTextureCoord = aTexureCoord;
}

// sampler2D:用于对2D纹理进行采样,通常针对位图
uniform sampler2D uSampler;
// 外部传入量
uniform vec3 uKd;
uniform vec3 uKs;
uniform vec3 uLightPos;
uniform vec3 uCameraPos;
uniform float uLightIntensity;
uniform int uTextureSample;

// Vertex Shader传入量
varying highp vec2 vTextureCoord;
varying highp vec3 vFragPos;
varying highp vec3 vNormal;

void main(void) {
    vec3 color;
    if (uTextureSample == 1) {
        // texture2D(tex, vTextureCoord):sample the texture
        // vec4类型值.rgb==>vec3
        // 2.2次幂:伽马畸变而需要
        color = pow(texture2D(uSampler, vTextureCoord).rgb, vec3(2.2));
    } else {
        color = uKd;
    }

    // 简单的Phong模型
    vec3 ambient = 0.05 * color;
    vec3 lightDir = normalize(uLightPos - vFragPos);
    vec3 normal = normalize(vNormal);
    float diff = max(dot(lightDir, normal), 0.0);
    float light_atten_coff = uLightIntensity / length(uLightPos - vFragPos);
    vec3 diffuse = diff * light_atten_coff * color;
    vec3 viewDir = normalize(uCameraPos - vFragPos);
    float spec = 0.0;
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 35.0);
    vec3 specular = uKs * light_atten_coff * spec;
    // gl_FragColor是Fragment Shader输出，1.0/2.2次幂防止伽马畸变
    gl_FragColor = vec4(pow((ambient + diffuse + specular), vec3(1.0 / 2.2)), 1.0);
}