openGL曲面细分

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前言

术语Tessellation（镶嵌）是指一大类设计活动，通常是指在平坦的表面上，用各种几何
形状的瓷砖相邻排列以形成图案。它的目的可以是艺术性的或实用性的，很多例子可以追
溯到几千年前[TS16]。
在3D 图形学中，Tessellation 指的是有点不同的东西（曲面细分），但显然是由它的经典
对应物（镶嵌）启发而成的。在这里，曲面细分指的是生成并且操控大量三角形以渲染复
杂的形状和表面，尤其是使用硬件进行渲染。曲面细分是OpenGL 核心近期才增加的新功
能，在2010 年的4.0 版本中出现。①

一、OpenGL 中的曲面细分

OpenGL 对硬件曲面细分的支持，通过3 个管线阶段提供：
（1）曲面细分控制着色器；
（2）曲面细分器；
（3）曲面细分评估着色器。
第（1）和第（3）阶段是可编程的；而中间的第（2）阶段不是。为了使用曲面细分，
程序员通常会提供控制着色器和评估着色器。
曲面细分器（其全名是曲面细分图元生成器，或TPG）是硬件支持的引擎，可以生成固
定的三角形网格。②控制着色器允许我们配置曲面细分器要构建什么样的三角形网格。然后，
评估着色器允许我们以各种方式操控网格。然后，被操控过的三角形网格，会作为通过管
线前进的顶点的源数据。回想一下,在管线上，曲面细分着色器位于顶点着色器和几
何着色器阶段之间。
让我们从一个简单的应用程序开始，该应用程序只使用曲面细分器创建顶点的三角形网
格，然后在不进行任何操作的情况下显示它。为此，我们需要以下模块。
（1）C++/OpenGL 应用程序：
创建一个摄像机和相关的MVP 矩阵，视图（v）和投影（p）矩阵确定摄像机朝向，模
型（m）矩阵可用于修改网格的位置和方向。
（2）顶点着色器：
在这个例子中基本上什么都不做，顶点将在曲面细分器中生成。
（3）曲面细分控制着色器：
指定曲面细分器要构建的网格。
（4）曲面细分评估着色器：
将MVP 矩阵应用于网格中的顶点。
（5）片段着色器：
只需为每个像素输出固定颜色。
程序12.1 显示了整个应用程序的代码。即使像这样的简单示例也相当复杂，因此许多代
码元素都需要解释。请注意，这是我们第一次使用除顶点和片段着色器之外的组件构建
GLSL 渲染程序。因此，我们实现了createShaderProgram()的4 参数重载版本。

二、代码

1.主程序c++

#include <GL\glew.h>
#include <GLFW\glfw3.h>
#include <SOIL2\soil2.h>
#include <string>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <glm\gtc\type_ptr.hpp> // glm::value_ptr
#include <glm\gtc\matrix_transform.hpp> // glm::translate, glm::rotate, glm::scale, glm::perspective
#include "Utils.h"
using namespace std;

float toRadians(float degrees) { return (degrees * 2.0f * 3.14159f) / 360.0f; }

#define numVAOs 1

//-------------------------------------------Utils util = Utils();
float cameraX, cameraY, cameraZ;
float terLocX, terLocY, terLocZ;
GLuint renderingProgram;
GLuint vao[numVAOs];

// variable allocation for display
GLuint mvpLoc;
int width, height;
float aspect;
glm::mat4 pMat, vMat, mMat, mvpMat;

float tessInner = 30.0f;
float tessOuter = 20.0f;

void init(GLFWwindow* window) {
  renderingProgram = Utils::createShaderProgram("vertShader.glsl", "tessCShader.glsl", "tessEShader.glsl", "fragShader.glsl");
  cameraX = 0.5f; cameraY = -0.5f; cameraZ = 2.0f;
  terLocX = 0.0f; terLocY = 0.0f; terLocZ = 0.0f;

  glfwGetFramebufferSize(window, &width, &height);
  aspect = (float)width / (float)height;
  pMat = glm::perspective(1.0472f, aspect, 0.1f, 1000.0f);
  
  glGenVertexArrays(numVAOs, vao);
  glBindVertexArray(vao[0]);
}

void display(GLFWwindow* window, double currentTime) {
  glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

  glUseProgram(renderingProgram);

  vMat = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(-cameraX, -cameraY, -cameraZ));

  mMat = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(terLocX, terLocY, terLocZ));
  mMat = glm::rotate(mMat, toRadians(35.0f), glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));
  mvpMat = pMat * vMat * mMat;

  mvpLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram, "mvp_matrix");

  glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(mvpMat));

  glFrontFace(GL_CCW);

  glPatchParameteri(GL_PATCH_VERTICES, 1);
  glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);  // FILL or LINE
  glDrawArrays(GL_PATCHES, 0, 1);
}

void window_size_callback(GLFWwindow* win, int newWidth, int newHeight) {
  aspect = (float)newWidth / (float)newHeight;
  glViewport(0, 0, newWidth, newHeight);
  pMat = glm::perspective(1.0472f, aspect, 0.1f, 1000.0f);
}

int main(void) {
  if (!glfwInit()) { exit(EXIT_FAILURE); }
  glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 4);
  glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
  GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 800, "Chapter12 - program1", NULL, NULL);
  glfwMakeContextCurrent(window);
  if (glewInit() != GLEW_OK) { exit(EXIT_FAILURE); }
  glfwSwapInterval(1);

  glfwSetWindowSizeCallback(window, window_size_callback);

  init(window);

  while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
    display(window, glfwGetTime());
    glfwSwapBuffers(window);
    glfwPollEvents();
  }

  glfwDestroyWindow(window);
  glfwTerminate();
  exit(EXIT_SUCCESS);
}

## 2.着色器
1.顶点着色器

```cpp
#version 430

uniform mat4 mvp_matrix;

void main(void)
{
}

2.片元着色器

#version 430

out vec4 color;
uniform mat4 mvp_matrix;

void main(void)
{
  color = vec4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0);
}

3.曲面细分着色器

#version 430

uniform mat4 mvp_matrix;
layout (vertices = 1) out;

void main(void)
{ gl_TessLevelOuter[0] = 6;
  gl_TessLevelOuter[2] = 6;
  gl_TessLevelOuter[1] = 6;
  gl_TessLevelOuter[3] = 6;
  gl_TessLevelInner[0] = 12;
  gl_TessLevelInner[1] = 12;
}

#version 430

layout (quads, equal_spacing, ccw) in;

uniform mat4 mvp_matrix;

void main (void)
{
  float u = gl_TessCoord.x;
  float v = gl_TessCoord.y;
  gl_Position = mvp_matrix * vec4(u,0,v,1);
}

效果