[카테고리:] OpenGL

GLSL Samples – Hello World in GLSL
원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?minimal

이 섹션은 Hello World에 대한 GLSL 판이다. 가장 기본적인 내용을 수행하는 쉐이더를 살펴볼 것이다 : 버텍스의 변환, 단일 색상으로 프리미티브 렌더링하여 화면 표시.

버텍스 쉐이더
이전 섹션중에 버텍스 쉐이더 부분에서 언급했듯이, 버텍스 쉐이더는 버텍스의 변환을 담당한다. OpenGL의 고정기능과 동일한 내용을 수행하는 버텍스의 변환을 수행하는 쉐이더를 살펴볼 것이다.

고정기능은 다음과 같이 모델뷰 행렬과 투영행렬에 의해 변환을 수행한다.

GLSL에서 위의 내용을 수행하는 코드를 작성하려면 모델뷰 행렬과 투영행렬을 얻을 수 있도록 OpenGL에 접근할 필요가 있다. 이전에 언급했듯이, OpenGL의 상태 중 일부를 GLSL에서 접근할 수 있는데, 주로 언급한 투영행렬과 모델뷰행렬이다. 행렬은 이미 정의된 Uniform 변수를 통해서 제공된다.

uniform mat4 gl_ModelViewMatrix;
uniform mat4 gl_ProjectionMatrix;

하나 더 필요한 것은 입력 버텍스에 접근하는 것이다. 이런 버텍스는 하나씩 하나씩 버텍스 쉐이더에 접근되는데 Attribute 변수를 통해서 제공된다.

attribute vec4 gl_Vertex;

행렬에 의해 변환된 버텍스를 출력하기 위해서, 쉐이더는 반드시 미리 정의된 변수인 gl_Position을 사용해야 하며 gl_Position은 vec4로 선언된 변수다.

위처럼 한다면, 이제 버텍스 쉐이더를 작성하는게 가능하다. 하지만 아직은 버텍스 변환 연산만 가능하다. 주의할 것은 버텍스 변환 이외의 다른 기능은 작동하지 않는데, 예를들어 빛계산은 수행되지 않는다.

버텍스 쉐이더는 main 함수를 가져야만 한다.

void main()
{
    gl_Position = gl_ProjectionMatrix * gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex;
}

위의 코드에서, 투영행렬은 모든 버텍스에 대해서 모델뷰행렬과 곱해지는데, 이것은 분명이 시간 낭비다. 왜냐하면 투영행렬과 모델뷰행렬은 모든 버텍스에 대해서 변하지 않는다. 이 행렬들은 Uniform 변수다.

GLSL은 몇개의 파생된 행렬을 제공하는데, 바로 gl_ModelViewProjecteionMatrix로써, 투영행렬과 모델뷰행렬을 곱한 결과 매트릭스이다. 이 변수를 사용해 다시 코드를 작성하면…

void main()
{
    gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;
}

위의 두 main() 함수에 대한 쉐이더의 최종 결과는 동일하다. 그런데 고정기능과 동일한 변환을 보장하는가? 음… 이론적으로 그렇다. 그러나 버텍스의 변환의 실제 절차는 여기와 달리 동일한 순서를 따르지 않는다. 이것은 보통 그래픽 카드에 매우 최적화된 작업인데, 최적화의 이점을 취하기 위해 하나의 특별한 기능이 제공된다. 이 기능의 또 다른 이유는 float 데이터 타입의 정밀도에 제약이 있기 때문이다. 계산이 다른 순서로 이뤄질때, 이 제한된 정밀도로 인해 다른 결과가 얻어진다. 그래서 GLSL은 최고의 수행속도뿐만 아니라 고정기능과 동일한 결과를 항상 얻을 수 있는 함수를 제공한다. 바로 마법과 같은 그 함수는:

vec4 ftransform(void);

이 함수는 입력받은 버텍스를 변환한 결과를 반환하며, 고정기능과 동일한 단계를 수행해 고정기능과 동일한 결과를 제공한다. 이제 쉐이더는 다음과 같이 재작성될 수 있다.

void main()
{
    gl_Position = ftransform();
}

프레그먼트 쉐이더
프레그먼트 쉐이더 역시 프레그먼트의 색상을 설정할 수 있는 미리 정의된 변수를 가지고 있다: gl_FragColor. 버텍스 쉐이더의 경우에서처럼, 프레그먼트 쉐이더 역시 main 함수를 가지고 있다. 다음 코드는 푸르스름한 색상으로 모든 프레그먼트를 그리는 프레그먼트 쉐이더 코드이다.

void main()
{
	gl_FragColor = vec4(0.4, 0.4, 0.8, 1.0);
}

위의 버텍스 쉐이더와 프레그먼트 쉐이더를 적용한 결과는 아래와 같다.

Varying 변수
원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?varying

이전에 언급했듯이, 쉐이더는 2가지가 있다 : 버텍스 쉐이더와 프레그먼트 쉐이더. 프레그먼트에 대한 값을 계산하기 위해서는, 버텍스 쉐이더에 접근할 필요가 있다. 예를들어서, 프레그먼트에 대한 빛 계산을 하려면, 해당 프레그먼트에서의 노말벡터를 얻어와야 한다. 그러나 OpenGL에서, 노말벡터는 오직 버텍스에 지정되어져 있다. Attribute 변수를 사용해서 OpenGL 어플리케이션으로부터 노말벡터를 얻어왔기 때문에 노말벡터를 버텍스 쉐이더에서 접근할 수 있지만, 프레그먼트 쉐이더에서는 접근할 수 없다.

모든 버텍스 데이터를 포함해서, 버텍스가 처리된 후에, 버텍스 정보는 연결정보를 이용할 수 있는, 파이프라인의 어떤 단계로 이동된다. 이 어떤 단계가 프리미티브가 만들어지고 계산되어지는 단계이다. 각 프레그먼트에 대해서, 자동으로 해석되어지고 프레그먼트 쉐이더에 제공되지는 변수가 있다. 예를들어 프레그먼트의 색상이 있다. 프레그먼트 쉐이더에 도착하는 색상은 프리미티브를 구성하는 버텍스의 색상 보간의 결과이다.

이 변수의 타입이 바로 “varying” 변수이다. GLSL은 미리 정의된 몇개의 varying 변수를 가지고 있는데, 위에서 언급한 색상이 한 예이다. GLSL은 varying 변수를 사용자가 정의할 수 있다. 이 변수는 버텍스 쉐이더와 프레그먼트 쉐이더 모두에서 선언되어져야한다. 아래처럼 말이다.

varying float intensity;

varying 변수는 버텍스 쉐이더에서 각 버텍스에 대한 계산값으로 설정된다. 프레그먼트 쉐이더에서 이 varying 변수(버텍스 쉐이더에서 이미 계산되어진 값들)는 단지 읽기만 할 수 있다.

제어문
제어문은 C언어와 매우 비슷하다. if-else, for, do-while문과 같은 조건문과 반복문이 있다.

if (bool expression)
    ...
else
    ...

for(initialization; bool expression; loop expression)
    ...

while(bool expression)
    ...

do
    ...
while(bool expression)

GLSL의 스펙에는 위의 제어문들이 사용가능하다고 되어있지만, if 문은 요즘의 하드웨어에서만 지원되는 경우가 많다.

제어문과 관련된 몇개의 함수가 정의되어 있는데,

• continue – 반복문에서 사용 가능하며, 바로 다음 반복의 단계로 간다.
• break – 반복문에서 사용 가능하며, 반복문을 종료한다.
• discard

discard 키워드는 프레그먼트 쉐이더에서만 사용할 수 있다. 이 키워드가 실행되면 현재 프레그먼트 쉐이더는 종료되며, 프레임버퍼나 깊이 버퍼에 아무런 내용도 쓰지 않는다.

함수
C에서처럼, 쉐이더는 함수로 정의된다. 쉐이더는 아래와 같은 형태의 최소한 하나의 main 함수를 가져야 한다.

void main()

사용자 함수도 정의할 수 있다. C에서처럼, 함수는 값을 반환할 수 있는데, return 문을 써서 결과값을 반환한다. 물론 함수는 void 를 써서 반환하지 않을 수 있다. 반환 타입은 GLSL에서 제공하는 어떤 타입이든지 가능하지만, 배열은 될 수 없다.

함수의 인자는 다음 지정자와 함께 쓸 수 있다.

• in – 오직 입력 인자로써 사용됨
• out – 어떤 값을 반환하는 용도로 사용됨. 함수의 결과를 보내기 위한 또 다른 방법
• inout – 입력 및 값 반환의 두가지 용도로 사용됨

인자에 지정자가 없다면, 기본적으로 in 이다.

마지막으로 몇가지 주의할 점이 있는데,

1. 함수는 인자를 다르게 해서 오버로드될 수 있다.
2. GLSL 스펙상 재귀호출은 가능하지 않다.

마지막으로 함수에 대한 하나의 예를 제시하겠다.

vec4 toonify(in float intensity) {
    vec4 color;

    if(intensity > 0.98)
        color = vec4(0.8, 0.8, 0.8, 1.0);
    else if(intensity > 0.5)
        color = vec4(0.5)
    else if(intensity > 0.25)
        color = vec4(0.2, 0.2, 0.4, 1.0);
    else
        color = vec4(0.1, 0.1, 0.1, 1.0);

    return(color);
}

GLSL에서의 데이터 타입과 변수
원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?data

타입(Type)

GLSL에서 사용가능한 간단한 데이터 타입은 다음과 같다.

• float
• bool
• int

float와 int는 C언어와 동일하며 bool은 true와 false 값을 취한다.

2, 3 또는 4개의 요소를 가지는 벡터 타입이 있으며, 벡터 요소의 타입은 위에서 언급한 것이 될 수 있다. 벡터 타입의 선언은,

• vec{2,3,4} : 2, 3 또는 4개의 요소를 가지는 실수 벡터
• bvec{2,3,4} : 2, 3 또는 4개의 요소를 가지는 블린 벡터
• ivec{2,3,4} : 정수 벡터

그래픽에서 매우 중요한 2×2, 3×3 또는 4×4 행렬 타입이 있으며 아래와 같다.

• mat2
• mat3
• mat4

텍스쳐 접근이 가능하는 특별한 타입들이 있다. 이 타입들은 샘플러(Sampler)라고 불리며, 텍스쳐 값(텍셀;texel)에 접근하는데 사용된다. 이 텍스쳐 샘플링을 위한 데이터 타입은 아래와 같다.

• sampler1D – 1D 텍스쳐을 위한 샘플러
• sampler2D – 2D 텍스쳐를 위한 샘플러
• sampler3D – 3D 텍스쳐를 위한 샘플러
• samplerCube – 큐브맵 텍스쳐를 위한 샘플러
• sampler1DShadow – 그림자맵을 위한 샘플러
• sampler2DShadow – 그림자맵을 위한 샘플러

GLSL에서 배열은 C언어에서처럼 선언할 수 있다. 그러나 배열은 선언할때 초기화할 수가 없다. 배열의 요소에 접근하는 방법은 C언어와 동일하다.

구조체 역시 GLSL에서 가능하며, C언어와 동일하다.

struct dirlight {
	vec3 direction;
	vec3 color;
};

변수(Variables)

간단한 변수의 선언은 C언어와 매우 유사하다. 변수의 선언과 함께 초기화도 가능하다.

float a, b; // 2개의 실수형 변수(C언어처럼 주석이 가능하다)
int c = 2 // c변수는 2로 초기화되었다
bool d = true; // d는 true 값이다 

변수의 다른 타입이 선언 역시 같은 식이지만, GLSL와 C 사이에 차이가 있다. GLSL은 초기화와 형변환 생성자에 매우 의존적이다.

float b = 2; // 옳지않아~ =_=; GLSL에는 자동형변환이 않되~
float e = (float)2; // 옳지않아~ 형변환 생성자가 필요해~

int a = 2;
float c = float(a); // 옳다! ^^* c는 2.0

vec3 f; // f는 vec3로 선언
vec3 g = vec3(1.0, 2.0, 3.0); // 선언과 동시에 초기화

GLSL은 다른 변수를 가지고 초기화하는 것에 매우 유연하다. 다음 예를 보자.

vec2 a = vec2(1.0, 2.0);
vec2 b = vec2(3.0, 4.0);

vec4 c = vec4(a, b); // c=vec4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0)

vec2 g = vec2(1.0, 2.0);
float h = 3.0;
vec3 j = vec3(g, h);

행렬도 마찬가지 방식이다.

mat4 m = mat4(1.0); // 행렬의 대각요소를 1.0으로 초기화

vec2 a = vec2(1.0, 2.0);
vec2 b = vec2(3.0, 4.0);
mat2 n = mat2(a, b); // 컬럼 방향으로 값이 지정된 행렬

mat2 k = mat2(1.0, 0.0, 1.0, 0.0); // 모든 요소를 지정 

구조체의 선언과 초기화는 아래와 같다.

struct dirlight { // 타입정의
	vec3 direction;
	vec3 color;
};

dirlight d1;
dirlight d2 = 
	dirlight(vec(1.0, 1.0, 0.0), vec3(0.8, 0.8, 0.4));

GLSL에서 제공하는 몇가지 여유로움이 우리의 삶을 단순하게 해주며 코드를 명확하게 만들어 준다. 아래의 예를 보자.

vec4 a = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);

float posX = a.x;
float posY = a[1];

vec2 posXY = a.xy;

float depth = a.w;

이전 코드에서 살펴 본것처럼, 벡터의 요소에 접근하기 위해서 x, y, z, w 문자를 사용할 수 있다. 만약 색상에 대해서 이야기할때는 r, g, b, a 문자를 사용하면된다. 텍스쳐 좌표에서 사용할 수 있는 문자는 s, t, p, q이다. 변환에 주의해야 하는데, 텍스쳐 좌표는 s, t, r, q로 자주 참조된다. 그러나 r은 이미 앞에서 RGBA에의 “Red”에 해당하는 것으로 사용되고 있다. 이러한 x, y, z, w, r, g, b, a, s, t, p, q를 선택자(Selector)이라고 한다.

행렬에 대한 선택자는 하나나 두개 인자를 취할 수 있는데, m[0] 또는 m[2][3]처럼 말이다. 첫번째 경우는 첫번째 컬럼을 선택한 것이고 두번째 경우는 행렬의 요소중에 하나의 요소를 선택한 것이다.

구조체에서 요소의 이름은 C언어에서처럼 사용된다. 위의 구조체 설명에서 예로써 정의한 경우에서 예를 들어본다면..

d1.direction = vec3(1.0, 1.0, 1.0);

변수 평가자(Variable Qualifiers)

평가자는 변수에 특별한 의미를 제공한다. 다음과 같은 평가자가 있다.

const – 변수는 상수값이다.
attribute – 전역 변수이며 버텍스 마다 바뀔 수 있고, OpenGL 어플리케이션에서 버텍스 쉐이더로 값을 변경한다. 이 평가자는 버텍스 쉐이더에서만 사용된다. 쉐이더에서는 읽기전용이다. Attribute 변수 섹션을 참조하기 바란다.
uniform – 전역 변수이며 프리미티브 마다 바뀔 수 있고(glBegin, glEnd 사이에 오지 않음), OpenGL 어플리케이션에서 쉐이더로 값을 변경한다.이 평가자는 버텍스나 프래그먼트 쉐이더 모두에서 사용될 수 있다. 쉐이더에서 이 변수는 상수이다. Uniform 섹션을 참조하기 바란다.

varying – 버텍스 쉐이더와 프레그먼트 쉐이더 사이에 값을 주고 받기 위해 사용된다. 버텍스 쉐이더에서는 쓰기가 허용되지만, 프레그먼트 쉐이더에서는 읽기 전용이다. Varying 섹션을 참고하라.

GLSL을 위한 OpenGL 설정 – Attribute 변수
원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?oglattribute

이전의 Uniform 변수 섹션에서 언급했듯이,  Uniform 변수는 오직 프리미티브에 의해서만 설정할 수 있다. 즉, Uniform 변수는 glBegin~glEnd 사이에서는 설정할 수 없다.

만약에 프리미티브를 구성하는 버텍스 당위로 변수를 설정하려고 한다면 Attribute 변수를 사용해야만 한다. 사실 Attribute 변수는 아무때나 설정될 수 있다. Attribute 변수는 버텍스 쉐이더에서만 읽힐 수(쓸수는 없다) 있다. 왜냐하면 Attribute 변수는 버텍스 데이터를 가지고 있어서, 프레그먼트 쉐이더에 사용하기는 적당하지 않다. (이 부분에 대해서는 추후에 varying 변수를 살펴보겠다) uniform 변수처럼, 변수에 대한 메모리 주소값을 읽어오는 것이 필요하다. 쉐이더 프로그램은 먼저 링크되어져야하며 몇몇 그래픽 카드는 쉐이더 프로그램이 사용중이여야 변수에 대한 주소값을 읽어올 수 있다.

다음은 OpenGL 2.0에서 Attribute 변수의 메모리 주소를 얻어오는 함수이다.

GLint glGetAttribLocation(GLuint program, char *name);
Parameters:
program –  쉐이더 프로그램의 핸들
name – 변수의 이름

ARB 확장 형태는 다음과 같다.

GLint glGetAttribLocationARB(GLhandleARB program, char *name);
Parameters:
program – 쉐이더 프로그램의 핸들
name – 변수의 이름

메모리의 변수 위치는 위의 함수의 리턴값으로 알수있다. 다음 단계는 값을 지정하는 것인데, uniform 변수처럼, 각 데이터 타입에 대한 함수가 있다.

OpenGL 2.0 문법은 아래와 같다.

void glVertexAttrib1f(GLint location, GLfloat v0);
void glVertexAttrib2f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1);
void glVertexAttrib3f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v2);
void glVertexAttrib4f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1, GLfloat v2, GLfloat v3);

또는…

GLint glVertexAttrib{1,2,3,4}fv(GLint location, GLfloat *v);

Parameter:
location –  이전에 질의해서 얻은 변수의 메모리 위치
v0, v1, v2, v3 – 실수값
v – 실수 배열

ARB 확장에 대한 문법은 아래와 같다.

void glVertexAttrib1fARB(GLint location, GLfloat v0);
void glVertexAttrib2fARB(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1);
void glVertexAttrib3fARB(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1, GLfloat v2);
void glVertexAttrib4fARB(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1, GLfloat v2, GLfloat v3);

또는…

GLint glVertexAttrib{1,2,3,4}fvARB(GLint location, GLfloat *v);

Parameter:
location – 이전에 질의한 변수의 위치
v0, v1, v2, v3 – 실수 변수
v – 실수 배열

정수와 몇몇 다른 데이터 타입에 대한 유사한 함수군이 제공되어진다. uniform 변수의 경우에서처럼 벡터 버전에 대한 설정 함수는 제공되지 않는다. 벡터에 대한 경우는 하나의 Attribute 변수의 값으로 지정할 수 있는데, 이것은 OpenGL에서 glColor3f와 glColor3fv 함수의 예와 비슷하다.

아래 간단한 예를 살펴보자. 이 예는 버텍스 쉐이더가 실수형 Attribute 변수로써 “height” 이름으로 선언된 경우이다. 쉐이더 프로그램이 링크된 후에 의미가 있는 예라는 점을 염두해 두길 바란다.

loc = glGetAttribLocation(p, "height");

렌더링 함수에 대한 코드 예는 아래와 같다.

glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP);
    glVertexAttrib1f(loc,2.0);
    glVertex2f(-1,1);

    glVertexAttrib1f(loc,2.0);
    glVertex2f(1,1);

    glVertexAttrib1f(loc,-2.0);
    glVertex2f(-1,-1);

    glVertexAttrib1f(loc,-2.0);
    glVertex2f(1,-1);
glEnd();

위의 코드에 대한 ARB 확장은 매우 비슷한데, 단지 함수에 ARB만 붙이기만 하면 된다.

위의 코드에 대한 전체 샘플은 아래를 통해 다운로드 받길 바란다.

버텍스 배열은 Attribute 변수와 함께 사용될 수 있다. 가장 먼저 해야할 것은 Array를 활성화 시키는 것인데, 활성화 시키기 위해서는 다음 OpenGL 2.0 함수를 사용하면 된다.

void glEnableVertexAttribArray(GLint loc);
Parameter:
loc – 변수의 위치

ARB 확장의 경우는 아래와 같다.

void glEnableVertexAttribArrayARB(GLint loc);
Parameter:
loc – 변수의 위치

이제 다음으로 해야할 일은, 다음 함수를 사용해서 배열에 데이터를 제공하는 것이다. OpenGL 2.0 문법이다.

void glVertexAttribPointer(GLint loc, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride, const void* pointer);
Parameters:
loc – 변수의 위치
size – 배열 요소들의 개수로써, 예를들어, float 인경우 1, vec2인 경우 2, vec3인 경우는 3
type – 데이터 타입으로, 예를들어 GL_FLOAT
normalized – 만약 1인 경우, 배열의 값은 정규되어져 있다(부호있는 경우 -1~1, 부호가 없는 경우는 0~1로 정규화되었다는 의미)
stride – 배열 요소 사이의 간격. OpenGL와 정확히 동일함
pointer – 데이터를 가지고 있는 배열의 포인터

ARB 확장 문법은..

void glVertexAttribPointerARB(GLint loc, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride, const void* pointer);
Parameters:
loc – 변수의 위치
size – 배열 요소들의 개수로써, 예를들어, float 인경우 1, vec2인 경우 2, vec3인 경우는 3
type – 데이터 타입으로, 예를들어 GL_FLOAT
normalized – 만약 1인 경우, 배열의 값은 정규되어져 있다(부호있는 경우 -1~1, 부호가 없는 경우는 0~1로 정규화되었다는 의미)
stride – 배열 요소 사이의 간격. OpenGL와 정확히 동일함
pointer – 데이터를 가지고 있는 배열의 포인터

이제 아래에 소스 코드를 살펴보라. 첫번째 초기화 단계에 이어, 2개의 배열이 있는데, 버텍스 배열과 속성 배열이다. “height” 변수는 적당한 위치에 선언되어져 있다고 가정할 수 있는데, 예를들어서 렌더링할때 등과 같은 시기에 접근할 수 있다.

float vertices[8] = {-1,1, 1,1, -1,-1, 1,-1};
float heights[4] = {2,2,-2,-2};
	
...
	
loc = glGetAttribLocationARB(p,"height");

glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glEnableVertexAttribArrayARB(loc);

glVertexPointer(2,GL_FLOAT,0,vertices);
glVertexAttribPointerARB(loc,1,GL_FLOAT,0,0,heights);

전체 소스 코드는 아래를 통해 다운로드 받기 바란다.

1086297923.zip1121909455.zip