XNA 4.0 Phong Shading 實作 shader implement

2010-04-25

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XNA

接下來就是進行實作的部分，時做的部分這邊我只說明實作可能會想問的問題，詳細內容各位可以下載原始的程式碼。

(本範例程式碼，包含使用基本的basicEffect特效將模型顯示)

模型的部分，這邊我是使用OBJ檔案格式，在XNA Creater club上面有一個範例，裡面是使用自定的content pipeline來將obj檔案資訊分析出來，這邊我們就直接運用它即可。

在renderer.cs的程式碼中，裡面有一個函數use_BasicEffect程式碼如下

   1:  public void use_BasicEffect()

   2:  {

   3:      for (int i = 0; i < scene_model.Length; i++)

   4:      {

   5:           foreach (ModelMesh mesh in scene_model[i].Meshes)

   6:           {

   7:               foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)

   8:               {

   9:                   effect.EnableDefaultLighting();

  10:                   effect.World = Matrix.Identity;

  11:                   effect.View = camera.View;

  12:                   effect.Projection = camera.Projection;

  13:                }

  14:                mesh.Draw();

  15:            }

  16:       }

  17:  }

上面程式碼有使用camera.cs這些相關的資源可以在右邊的地方可以找到。(component.rar)

首先，我們先來看shader code的部分，你可以在content的資料夾按下右鍵"增加新的項目"，會出現下圖的圖式

選擇Effect file，然後給定一個你所指定的名稱。
確定以後，他會幫你自動產生一個可以執行的shader code如下所示

   1:  float4x4 World;

   2:  float4x4 View;

   3:  float4x4 Projection;

4:

   5:  // TODO: add effect parameters here.

6:

   7:  struct VertexShaderInput

   8:  {

   9:      float4 Position : POSITION0;

10:

  11:      // TODO: add input channels such as texture

  12:      // coordinates and vertex colors here.

  13:  };

14:

  15:  struct VertexShaderOutput

  16:  {

  17:      float4 Position : POSITION0;

18:

  19:      // TODO: add vertex shader outputs such as colors and texture

  20:      // coordinates here. These values will automatically be interpolated

  21:      // over the triangle, and provided as input to your pixel shader.

  22:  };

23:

  24:  VertexShaderOutput VertexShaderFunction(VertexShaderInput input)

  25:  {

  26:      VertexShaderOutput output;

27:

  28:      float4 worldPosition = mul(input.Position, World);

  29:      float4 viewPosition = mul(worldPosition, View);

  30:      output.Position = mul(viewPosition, Projection);

31:

  32:      // TODO: add your vertex shader code here.

33:

  34:      return output;

  35:  }

36:

  37:  float4 PixelShaderFunction(VertexShaderOutput input) : COLOR0

  38:  {

  39:      // TODO: add your pixel shader code here.

40:

  41:      return float4(1, 0, 0, 1);

  42:  }

43:

  44:  technique Technique1

  45:  {

  46:      pass Pass1

  47:      {

  48:          // TODO: set renderstates here.

49:

  50:          VertexShader = compile vs_2_0 VertexShaderFunction();

  51:          PixelShader = compile ps_2_0 PixelShaderFunction();

  52:      }

  53:  }

float4x4的型態代表的是一個 4 by 4的陣列，也就是我們在XNA中用的matrix。這邊宣告了三個，分別是World、View、Projection。代表的意義如下:
World: 世界矩陣，用來做縮放平移旋轉等操作，另一個簡單的說法是將模型從自己的空間(object space)轉換到世界座標(world coordinate)。通常我們會在XNA的code中使用Matrix.Identity。不過可以根據情況做模型的縮放平移等操作。
View: 這個矩陣主要做的事情就是，將觀察者的位置(view position)轉換到原點。
Projection: 將投影的大小調整到[-1, 1]之間。

接下來是Struct的部分，這邊的語法都跟C很像，所以懂C的話應該不會太困難看懂才是

struct VertexShaderInput
{
float4 Position : POSITION0;

// TODO: add input channels such as texture
// coordinates and vertex colors here.
};
這邊是指你宣告了一個結構VertexShaderInput，然後這個結構中包含了一個float4的資訊，而它所指定的型態就是POSITION。float4是變數型態，Position是指變數名稱，分號後面指的是語意(給HLSL知道說現在是甚麼東西需要處理)。語意的部分有蠻多項目的，詳情可以參考MSDN，不過常用的通常是POSITION、NORMAL、TEXCOORD。

函數的部分跟C很像結構通常是:
傳回的變數型態函數名稱(傳入的變數型態變數名稱)
{
}

最後面的一個看起來有點怪的東西，這邊需要特別說明

technique Technique1
{
    pass Pass1
    {
        // TODO: set renderstates here.

        VertexShader = compile vs_2_0 VertexShaderFunction();
        PixelShader = compile ps_2_0 PixelShaderFunction();
    }
}

technique指的是說現在你在XNA，如果你要指定使用哪個技術。
像是effect.Technique["Technique1"];
這樣就是說我現在要使用Technique1的shader技術，然後在Technique1裡面，又可能包含很多的Pass，所以我們也可以指定說我們現在要用哪個pass。EX: effect.Technique["Technique"].Pass["Pass1"].Apply();

在pass1中裡面有兩行，有兩個關鍵字VertexShader和PixelShader這兩個名稱是不可以變動的!!分別是說現在編譯的shader code各自的函數是分別送給VertexShader和PixelShader處理。

後面的compile的部分，就是說現在是使用第幾版的shader model，目前最新的shader model是到5.0，不過XNA只能支援到3.a所以這部分大家要稍微注意一下。

簡介完上面的shader code以後，我們現在要寫phong shading話，我們先看看phong shading的計算公式，如下:
$I_p = k_a i_a + \sum_\mathrm{m \; \in \; lights} (k_d (L_m \cdot N) i_d + k_s (R_m \cdot V)^{\alpha}i_s).$

由上面公式知道，我們需要傳入光的位置、攝影機的位置，和模型的材質資訊等等。至於頂點和normal這些我們可以讓pipeline幫我們送入就好了。

所以我們在shader code的上方需要加入以下的程式碼:

// TODO: add effect parameters here.
float3 light_position;
float3 light_diffuse;
float3 light_specular;

float4 kd;
float3 ks;
float ns;

float3 camera_position;

然後，在VertexShader的input中，我們需要將結構稍微做些調整，因為我們需要把normal送進來。

struct VertexShaderInput
{
float4 Position : POSITION0;

    // TODO: add input channels such as texture
    // coordinates and vertex colors here.
    float3 Normal : NORMAL0;
};

在output的地方也要調整，至於output過後，接下來就是交給pipeline去做內插了，而我們希望頂點跟法向量都可以被內差。所以輸出的vertex shader結構也要做些調整。

struct VertexShaderOutput
{
float4 Position : POSITION0;

    // TODO: add vertex shader outputs such as colors and texture
    // coordinates here. These values will automatically be interpolated
    // over the triangle, and provided as input to your pixel shader.
    float4 Pos : TEXCOORD0;
    float3 Nor : TEXCOORD1;
};
這邊輸出的部分語意是使用TEXCOORD而非使用COLOR，因為用COLOR內差會有問題，然後後面的數字分別是說輸出的channel，記得數字不可以一樣!

接下來，在pixel shader部分就是進行phong lighting的計算。

float4 PixelShaderFunction(VertexShaderOutput input) : COLOR0
{
// TODO: add your pixel shader code here.
float3 value = 0;

float3 Light_Direction = normalize(light_position - input.Pos);

float NdotL = saturate(dot(normalize(input.Nor), Light_Direction));

    if(NdotL>0)
    {
        value += light_diffuse*kd*NdotL;
        float3 E = normalize(camera_position - input.Pos);
        float3 R = reflect(-Light_Direction, normalize(input.Nor));

// blinn
float3 H = normalize(Light_Direction+E);

float specular = pow(saturate(dot(E,normalize(R))),ns);

        // blinn
        //float specular = pow(saturate(dot(input.Nor,H)),ns);
        value+= light_specular*ks*specular;
    }

return float4(value, 1);
}

這邊程式碼我就不多做說明，因為主要就是計算上述所說的公式…
可能需要注意的就是這邊所指的向量方向，這邊所說的向量方向，全部都是"往外"發射的向量，像是E這個向量來說，就是"眼睛-頂點做標"。

接下來，在XNA的程式碼我們就需要一個Effect的特效變數，並且用content pipeline將他載入近來。

完成以後，在繪製模型的地方我們就希望能夠套入Phong shading的效果。

我們需要先傳入一些變數到shader去

   1:  phong_effect.Parameters["World"].SetValue(Matrix.Identity);

   2:  phong_effect.Parameters["View"].SetValue(camera.View);

   3:  phong_effect.Parameters["Projection"].SetValue(camera.Projection);

   4:  phong_effect.Parameters["camera_position"].SetValue(camera.Position);

   5:  phong_effect.Parameters["light_position"].SetValue(light_position);

   6:  phong_effect.Parameters["light_diffuse"].SetValue(light_diffuse);

   7:  phong_effect.Parameters["light_specular"].SetValue(light_specular);

Parameters裡面的""變數名稱，必須跟Shader code是相互對應的!

像是KD KS NS這些變數，我們必須要從模型裡面獲得才行，所以我們在繪製模型的時候在抓取資訊。

   1:  foreach (Model model in scene_model)

   2:  {

   3:        foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes)

   4:        {

   5:             foreach (ModelMeshPart meshPart in mesh.MeshParts)

   6:             {

   7:                  phong_effect.Parameters["kd"].SetValue(meshPart.Effect.Parameters["DiffuseColor"].GetValueVector4());

   8:                  phong_effect.Parameters["ks"].SetValue(meshPart.Effect.Parameters["SpecularColor"].GetValueVector3());

   9:                  phong_effect.Parameters["ns"].SetValue(meshPart.Effect.Parameters["SpecularPower"].GetValueSingle());

10:

  11:                  phong_effect.Techniques[0].Passes[0].Apply();

  12:                  GraphicsDevice.Indices = meshPart.IndexBuffer;

  13:                  GraphicsDevice.SetVertexBuffer(meshPart.VertexBuffer);

  14:                  GraphicsDevice.DrawIndexedPrimitives(PrimitiveType.TriangleList,meshPart.VertexOffset, 0, meshPart.NumVertices, meshPart.StartIndex, meshPart.PrimitiveCount);

  15:             }

  16:             mesh.Draw();

  17:         }

  18:  }

接下來執行以後就可以得到下面圖片的結果

可以看到黃色的BOX有specular的效果

如果沒有用phong lighting效果如下

詳細內容還是建議各位可以參考一下範例程式碼
下載

SHADER這邊就是要多多練習，需要習慣一下會比較容易上手。

對於shader有問題大家也可以一起討論看看~~

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