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OpenGL Setup for GLSL- Shader 생성하기
원문 : http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?oglshader

다음 그림은 쉐이더를 생성하는데 필요한 단계를 보이고 있다.
첫번째 단계(glCreateShader)는 쉐이더 컨테이너로써 수행하는 오브젝트를 생성하는 것이다. 이 함수는 컨테이너의 헨들을 반환한다.

이 함수에 대한 OpenGL 2.0 문법은 다음과 같다:

GLuint glCreateShader(GLenum shaderType);
Parameter:
  shaderType – GL_VERTEX_SHADER  또는  GL_FRAGMENT_SHADER

ARB 확장문법은 다음과 같다.

GLhandleARB glCreateShaderObjectARB(GLenum shaderType);
Parameter:
  shaderType – GL_VERTEX_ARB 또는 GL_FRAGMENT_SHADER_ARB

프로그램에 추가하고자 하는 만큼의 쉐이더를 생성할 수 있지만, remember that there can only be a main function for the set of vertex shaders and one main function for the set of fragment shaders in each single program.

다음 단계(glShaderSource)는 특정한 소스 코드를 추가하는 것이다. 소스 코드는 문자 배열이다.

이 함수에 대한 OpenGL 2.0에 대한 형태는 다음과 같다.

void glShaderSource(GLuint shader, int numOfString. const char** strings, int *lenOfStrings);
Parameters:
  shader – 쉐이더의 핸들
  numOfStrings – 문자 배열의 구성 요소 수
  strings – 문자 배열
  lenOfStrings – 각 문자열의 길이를 가지는 배열 또는 NUL값(문자열들이 NULL로 끝남)

다음은 이 함수에 대한 ARB 확장이다.

void glShaderSourceARB(GLhandleARB shader, int numOfStrings, const char **strings, int *lenOfStrings);
Parameters:
  OpenGL 2.0 형태의 인자 설명과 동일함

최종적으로, 쉐이더는 반드시 컴파일 되어져야 한다. 세번째 단계(glCompileShader)가 쉐이더 코드를 컴파일해주며 OpenGL 2.0에서의 형태는 다음과 같다.

void glCompileShader(GLuint shader);
Parameters:
  shader – 쉐이더의 핸들

다음으로 ARB 확장에 대한 형태는 다음과 같다.

void glCompileShaderARB(GLhandleARB shader);
Parameters:
  shader – 쉐이더의 핸들

OpenGL Setup for GLSL – Overview
원문: http://www.lighthouse3d.com/opengl/glsl/index.php?ogloverview

GLSL을 위한 OpenGL 설정이라는 이 섹션은  두개의 버텍스 쉐이더와 프레그먼트 쉐이더에 대해 들어봤다고 가정을 하고 진행되며 OpenGL 어플리케이션에서 이 쉐이더들을 사용기 위한 내용이다. 만약 아직까지 직접 쉐이더를 작성해보지 않았다면, 인터넷으로부터 쉐이더를 구할 많은 사이트가 있으니 참고하길 바란다. 참고 사이트는 http://www.3dshaders.com/home/가 있으며 쉐이더 개발을 위한 툴로는  Shader Designer와 RenderMonkey (원문에서는 링크가 깨져있으며 구글에서 검색해서 현재 사용가능한 사이트의 URL을 검색해보길 바란다)가 있고, 이 툴에는 매우 많은 쉐이더 예제가 있다.

OpenGL을 보면, 쉐이더 프로그램을 설정하는 것은 C 프로그램을 작성하는 흐름과 유사하다. 각 쉐이더는 C 모듈과 유사하며 이 모듈은 C언어에서 처럼 개별적으로 컴파일되어져야하고, 또 정확히 C에서처럼 프로그램에 링크되여야 한다.

ARB 확장들과 OpenGL이 이 섹션에서 사용된다. 만약에 OpenGL의 버전이 1.1 이상을 사용해 보지 않았거나 확장이 처음이라면, GLEW를 보길바란다. GLEW는 확장기능과 OpenGL 최신 함수 사용를 바로 사용할 수 있도록 해준다.

만약에 아직 OpenGL 2.0을 지원하지 않는다면, 확장을 이용해야 하는데, 필요한 확장은 아래와 같다.

• GL_ARB_fragment_shader
• GL_ARG vertex_shader

아래는 GLEW를 사용하는 GLUT 프로그램의 간단한 예제인데, 위의 두개의 확장을 사용할 수 있는지 검토하는 코드이다.

#include 
#include ;
	
void main(int argc, char **argv) {
    glutInit(&argc, argv);
		
    ...
	
    glewInit();
    if (GLEW_ARB_vertex_shader && GLEW_ARB_fragment_shader)
        printf("Ready for GLSL\n");
    else {
        printf("Not totally ready :( \n");
        exit(1);
    }
	
    setShaders();
	
    glutMainLoop();
}

OpenGL 2.0이 가능한지 검사하기 위해서 아래와 같은 코드를 사용한다.

#include 
#include 

void main(int argc, char **argv) {

    glutInit(&argc, argv);
		
    ...
	
    glewInit();
    if (glewIsSupported("GL_VERSION_2_0"))
        printf("Ready for OpenGL 2.0\n");
    else {
        printf("OpenGL 2.0 not supported\n");
        exit(1);
    }

    setShaders();
	
    glutMainLoop();
}

아래의 그림은 OpenGL 2.0의 함수로써 나타낸 쉐이더를 생성하는 단계를 나타내고 인데, 언급한 함수의 세부내용은 나중에 자세히 살펴보도록 하겠다.

프래그먼트 처리기

프래그먼트 처리기는 프래그먼트 쉐이더가 실행되는 곳에 있으며 다음과 같은 연산을 담당한다.

• 색상 및 픽셀에 대한 텍스쳐 좌표 계산
• 텍스쳐 적용
• 안개 계산
• 픽셀에 대한 조명이 필요할 경우에 노멀 계산

이 처리기에 대한 입력값은 이전 단계에서 계산되어 보간된 값들로써, 버텍스의 위치, 색상, 법선벡터 등이다.

버텍스 쉐이더에서 이러한 값들은 버텍스 하나 하나에 대해서 계산되어진다. 여기서는 프레그먼트의 내부를 다루므로 보간된 값을 필요로 한다.

버텍스 처리기에서 처럼, 프레그먼트 쉐이더를 작성하면 모든 고정 기능은 작성된 프레그먼트 쉐이더가 대신한다. 그래서 안개 기능은 고정 기능을 사용하고 텍스쳐링은 쉐이더를 사용하는 방식은 지원하지 않는다. 프로그래머는 반드시 어플리케이션이 필요로 하는 모든 효과를 코딩해야 한다.

프레그먼트 처리기는 하나의 프레그먼트에 대해서 작동을 한다. 예를 들어서, 하나의 프레그먼트를 처리하고 있을 때 또 다른 프레그먼트는 알 수 없다. 버텍스 쉐이더와 마찬가지로 이 쉐이더도 OpenGL의 상태를 접근할 수 있으므로, OpenGL 어플리케이션에서 지정된 안개의 색상값을 알아 낼 수 있다.

한가지 중요한 점은, 파이프라인 단계에서 이전에 계산되어졌으므로, 프레그먼트 쉐이더는 픽셀의 좌표를 변경할 수 없다는 것이다. 버텍스 처리기에서 모델뷰와 프로젝션 행렬이 버텍스를 변환하는데 사용했다는 것을 다시 상기하기 바란다. The viewport comes into play after that but before the fragment processor. 프레그먼트 쉐이더는 스크린 상에 위치하는 픽셀에 접근할 수 있지만 변경할 수 있는 없다.

프레그먼트 쉐이더는 2개의 출력 옵션을 갖는다.

• 프레그먼트를 무시하므로 출력은 없음
• 여러개의 메시를 렌더링할때 gl_FragColor(프레그먼트의 최종 색상)이나 gl_FragData 둘중에 하나를 계산

비록 깊이값이 필요하지 않아도 깊이값이 쓰여질 수 있는데, 이것은 이전 단계에서 이미 깊이값을 계산했기 때문이다.

프레그먼트 쉐이더는 프레임버퍼에 접근할 수 없다. 그래서 만약 블렌딩과 같은 연산은 프레그먼트 쉐이더 연산 이후에 수행되어야 한다.

Vertex Processor

버텍스 프로세서는 버텍스 쉐이더를 실행한다. 버텍스 쉐이더의 입력은 버텍스 데이터로써, 주로 버텍스의 위치, 색, 법선벡터 등으로써 OpenGL 어플리케이션이 보내준다.

다음 OpenGL 코드는 버텍스 프로세서에게 각 버텍스에 대한 색상, 위치 값을 전달해준다.

glBegin(...);
    glColor3f(0.2,0.4,0.6);
    glVertex3f(-1.0,1.0,2.0);

    glColor3f(0.2,0.4,0.8);
    glVertex3f(1.0,-1.0,2.0);
glEnd();

버텍스 쉐이더에서 다음과 같은 일을 할 수 있다.

• 모델뷰 행렬과 프로젝션 행렬을 이용해서 버텍스의 위치를 이동
• 노말 벡터의 변환, 그리고 필요하다면 노말 벡터의 정규화
• 텍스쳐 좌표 생성과 변환
• 버텍스에 대한 빛 또는 픽셀에 대한 빛 계산
• 색상 계산

위의 모든 연산을 수행할 필요는 없다. 그러나 일단 버텍스 쉐이더를 만들었다면 버텍스 프로세서의 전체 기능을 버텍스 쉐이더가 대신하며, 따라서 법선 변환을 수행할 수 없고 고정 기능이 텍스쳐 좌표 생성을 수행하도록 할 수 없다. 버텍스 쉐이더가 사용될때 파이프 라인의 이 단계의 필요한 모든 기능을 버텍스 쉐이더가 대신하게 된다.

이전에서 설명했던 것처럼, 버텍스 쉐이더는 버텍스간 연결성 고려에 대한 정보를 가지고 있지 않다. 그러므로 위상 데이터를 필요로 하는 연산은 버텍스 쉐이더에서 수행할 수 없다. 예를들어서, 버텍스 쉐이더가 뒷면 제외를 할 수 없는데, 버텍스 쉐이더는 버텍스 단위 연산이지 버텍스가 이루고 있는 면에 대한 연산을 할 수 없기 때문이다. 면을 알려면 버텍스간의 연결 정보를 알아야 한다. 이러한 연결정보가 바로 위상 데이터의 하나이다. 버텍스 프로세서는 개별적인 버텍스 하나 하나를 처리 하는 순간에 그 하나 이외의 나머지 버텍스를 알지 못한다.

버텍스 쉐이더는 최소한 gl_Position 이라는 변수를 변경해야만 한는데, 이 변수는 보통 모델뷰 행렬과 프로젝션 행렬을 이용한 변환이다.

버텍스 프로세서는 OpenGL 상태에 접근할 수 있어서, 예를 들어 빛을 포함하고 재질을 사용하는 연산을 수행할 수 있다. 또한 텍스쳐에 대한 정보도 접근할 수 있는데 이것은 최신 그래픽 카드에서만 허용한다. 하지만 프레임 버퍼에는 접근할 수 없다.

다음 그림은 매우 단순화된 파이프라인 다이어그램이며 데이터가 어떤 식으로 파이프 라인을 타는지를 보여준다. 매우 단순화시켰지만 쉐이더 프로그래밍에 대한 중요한 개념을 제공하고 있다. 이 부분에서는 파이프라인의 고정 기능을 제공한다. 파이프라인은 추상적이며 모든 각 단계에서 어떤 특정한 구현과 만날 필요가 없다는 점을 주의하기 바란다.
Vertex Transformation

여기에서 버텍스는 공간상의 위치, 색상, 노말벡터, 텍스쳐 좌표 등과 같은 속성들의 집합이다. 이 단계에서의 입력값들은 하나 하나의 버텍스 속성들이다. 이 고정 기능에 의해 수행되는 연산은 다음과 같다.

• 버텍스의 위치 변환
• 버텍스에 대한 광원 계산
• 텍스쳐 좌표의 생성 및 변환

Primitive Assembly and Rasterization

이 단계에서의 입력값은 변환된 버텍스와 연결 정보이다. 연결정보라는 것은 버텍스들이 Primitive(삼각형 등과같은 기본 요소)를 이루기 위해 어떻게 연결되느냐이다. 이 단계에서 Primitive가 생성된다. 또한 이 단계는 뒷면제거나 뷰 절두체에 대한 클리핑 연산을 담당할 수 있다.

라스터라이징은 Fragment를 결정하고 Primitive의 픽셀 위치를 결정한다. 이 문맥에서 Fragment는 특정한 위치에서 프레임 버퍼의 픽셀을 변경하기 위해 사용될 데이터의 조각이다. 쉽게 말하자면 Primitive가 화면에 실제 렌더링될때 그려질 Pixel 값이다. Fragment는 색 뿐만이 아니라 수직벡터값과 텍스쳐 좌표 등과 같은 값들인데, 이러한 값들을 이용해서 실제로 화면상에 찍힐 픽셀의 새로운 색상을 계산하는데 쓰인다.

이 단계에서의 출력값은 다음과 같다.

• 프레임버퍼 안의 Fragment들의 위치
• 버텍스 변환 단계에서 계산된 속성에 대한 각 Framgment에 대한 보간된 값

버텍스 변환 단계에서 계산된 값은 버텍스 연결정보와 함께 조합되어 Fragment를 위한 알맞은 속성을 계산하는데 사용된다. 예를들어서 각 버텍스는 변환된 위치를 가지고 있다. 버텍스가 Primitive로 만들어지는데 사용될때 Primitive의 Fragment의 위치를 계산하는것이 가능하다. 또 다른 예는 색상의 사용이다. 만약 삼각형을 구성하는 각 버텍스가 각기 다른 색상을 가지고 있다면, 삼각형 안의 Fragment 색상은 각 버텍스의 상대적인 거리에의한 가중치를 받아 색상값들이 보간되어져 얻어진다.

Fragment Texturing and Coloring

이 단계에서의 입력값은 보간되어진 Fragment의 정보이다. 색상은 이미 이전 단계에서 보간을 통해 계산되어졌고, 이 단계에서는 텍셀(Texel, Texture element)값 결합과 같은 연산이 수행된다. 텍스쳐 좌표는 이전단계에서 보건되어진다. 안개도 역시 이 단계에서 적용된다. 고통적인 최종 출력값은 Fragment의 색상값과 깊이 값이다.

Raster Operations

이 단계에서의 입력값은 다음과 같다.

• 픽셀의 위치
• Fragment의 색상값과 깊이값

Fragment에 대해 수행되는 파이프라인의 마지막 연속 단계는 주로 다음과 같다.

• Scissor Test
• Alpha Test
• Stencil Test
• Depth Test

만약 테스트가 성공한다면, Fragment 정보는 현재의 블렌딩 모드에 따라 픽셀의 값을 변경하는데 사용된다.  블렌딩은 이 단계에서만 수행되는데, Fragment 텍스쳐링과 컬링 단계에서는 프레임 버퍼에 접근하지 못하기 때문이다. 프레임 버퍼는 오직 이 단계에서만 접근할 수 있다.

고정 기능에 대한 간단한 그림 설명

다음 그림은 위에서 설명한 각 단계에 대한 설명을 그림으로 다시 풀어높은 것이다.

Replacing Fixed Functionality

현재의 그래픽 카드는 프로그래머가 위에서 기술된 단계 중에 2개를 새롭게 정의할 수 있게 해준다.

• 버텍스 쉐이더는 Vertex Transformation 단계를 작성하는데 사용된다.
• 프레그먼트(Fragment) 쉐이더는 프레그먼트 텍스쳐링과 컬러링 단계의 고정 기능을 교체하는데 사용된다.

다음 섹션에서는 프로그래밍 가능한 단계, 즉 버텍스 처리기와 프레그먼트 처리기에 대해 설명할 것이다.