Вершинные программы. Расширение ARB_vertex_program

Ранее рассматриваемые расширения позволяли задавать довольно сложные законы рендеринга примитивов, но при этом сами эти законы задавались фактически путем комбинации небольшого числа предопределенных шагов (операций) и выйти за их пределы было очень затруднительно.

Совершенно другой подход предлагают так называе вершинные (vertex) и фрагментные (fragment) программы. Они представляют собой полноценные программы, написанные на специальном ассемблеро-подобном языке и выполняются непосредственно на GPU. С помощью таких программ можно задавать очень сложные законы вычисления, практически невозможные для других способов.

Существует два основных типа подобных программ (шейдеров) - вершинные (vertex program или vertex shader) и фрагментные (пиксельные)(fragment program или fragment shader). Отличие между ними заключается в том, к обработке каких элементов они применяются.

Вершинные программы применяются для обработки данных, заданных на уровне отдельных вершин, в то время как фрагментные программы работают на уровне отдельных пикселов.

В данной статье мы рассмотрим использование вершинных программ через расширение ARB_vertex_program.

В стандартном OpenGL имеется набор заранее определенных опеарций над даннымм, задаваемыми в вершинах, например, преобразование вершин, вычисление и преобразование текстурных координат, освещение и т.п. Большинство из этих операций могут конфигурироваться программистом.

Фактически все эти операции представляют собой вершинную программу, однако в ней выполняемые операции и их порядок заранее задан и зависит от текущего состояния OpenGL, а не явно задается программистом.

Расширение ARB_vertex_program предоставляет пользователю возможность явно задавать закон преобразования данных в вершинах при помощи последовательности элементарных операций (команд).

Подобные вершинные программы работают с набором регистров (4-мерных вещественных векторов) и каждая команда осуществляет какую-либо операцию над этими регистрами.

Сама программа представляет собой последовательность действий над 4-х мерными векторами, задающая закон, который на основе параметров (задаваемых вне блока glBegin/glEnd) и набора атрибутов в вершине определяет выходные значения для каждой вершины.

Стандратный конвеер (pipeline) OpenGL выглядит следующим образом:

Использование вершинных программ позволяет заменить первый блок - преобразование и освещение - на явно задаваемые пользователем вершинные программы.

Эти программы дают полный контроль над операциями преобразования, освещения, вычисления текстурных координат, а также дает возможность выполнять другие типы вычислений в вершинах.

При этом все вершинные программы полностью выполняются на GPU, не занимая времени центрального процессора.

Входными данными для вершинной программы являются атрибуты в вершинах (пользователь может задавать новые типы атрибутов в вершинах), локальные переменные (регистры) и переменные окружения.

На выходе вершинной программы должны быть вычислены однородные координаты вершины, цвет, степень затуманивания, текстурнеы координаты и т.п.

При этом вершинная программа не может ни создавать новых вершин, ни уничтожать существющие вершиные. Также вершинная программа не обладает никакой топологической информацией (ребра, грани и т.п.).

Обычно вершинная программа заменяет собой следующую функциональность OpenGL:

• преобразования вершин при помощи модельной (modelview)матрицы и матрицы проектирования (projection)
• смешение (weighting/blending) вершин
• преобразования нормали
• вершинное освещение
• цветные материалы
• вычисление текстурных координат и их преобразование
• вычисления степени затуманивания вершины
• задаваемые пользователем операции

Следующая функциональность не может быть подменена вершинной программой:

• evaluators
• отсечение по области видимости (view frustrum)
• перспективное деление
• viewport transformation
• преобразование диапазона глубины
• выбор лицевой и нелицевой граней (для двусторонних материалов)
• отсечение первичного и вторичного цветов по отрезку [0,1]
• работу с примитивами, растеризацию, смешение цветов

На следующем рисунке изображена вершинная программа и различные множества регистров, с которыми она работает.

Создание вершинной программы

Каждая вершинная программа представляется набором байт (ASCII строкой). Работа с вершинной программой напоминает работу с текстурами - вводится понятие объекта-программы (program object), идентифицируемого беззнаковым целым числом.

Этот объект - это внутренний объект OpenGL, инкапсулирующий внутри себя как программу, так и параметры состояния.

Непосредственное создание вершинной программы состоит из следующих шагов - получение идентификатора для программы при помощи функции glGenProgramsARB, выбор полученного идентификатора как текущего при помощи функции glBindProgramARB и загрузка текста программы. Все эти шаги продемонстрированы следующим фрагментом кода.

После того, как вершинная программа больше не нужна, она может быть уничтожена при помощи функции glDeleteProgramsARB.

Рассмотрим подробнее использованные функции.

Для получения идентификаторов вершинных программ служит следующая функция -

Эта функция резервирует n идентификаторов для использования их в качестве идентификаторов вершинных программ и помещает зарезервированные идентификаторы в массив ids. При этом возвращенные идентификаторы помечаются как использованные, однако объекта-программы еще не создается, он будет создан при первом выборе идентификатора как текущей программы при помощи glBindProgramARB.

Для уничтожения вершинных программ (и освобождения соответствующих идентификаторов) служит следующая функция -

Для выбора данной вершинной программы как текущей (и создания объекта-программы при первом обращении) служит функция

При задании вершинной программы параметр target должен принимать значения GL_VERTEX_PROGRAM_ARB, а параметр id - идентификатор программы, полученный от glGenProgramsARB.

Проверить, является ли заданное беззнаковое целое число идентификатором программы можно при помощи функции

Для задания текста вершинной программы служит функция

Параметр target для задания текста вершинной программы должен принимать значение GL_VERTEX_PROGRAM_ARB, параметр format может принимать пока только одно значение GL_PROGRAM_FORMAT_ASCII_STRING_ARB. Параметр length задает длину строки (в байтах) string, которая задает текст программы. Длина считается без нулевого терминатора и строка вообще может не иметь нулевой терминатор в конце.

В соответствии со стандартом можно загружать программу, даже если она уже была загружена и выбрана как текущая.

Одна и та же вершинная программа может разделяться сразу несколькими контекстами точно так же, как и дисплейные списки и текстуры, т.е. при помощи команды wglShareLists ( hRcTo, hRcFrom ).

Задание параметров

Все параметры, которые могут быть переданы вершинной программе, делятся на три типа:

• вершинные атрибуты (vertex attributes)
• локальные параметры программы (local parameters)
• параметры окружения (environment parameters)

Вершинные атрибуты

Это параметры, задаваемые в каждой вершине и представляющие собой 4-мерные вещественные вектора. Всего может быть до N таких параметров (N>=16), точно максимальное количество вершинных атрибутов можно получить при помощи функции glGetProgramivARB по значению константы GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS_ARB:

Для задания вершитнных атрибутов в виде вещественных (float) 3-х и 4-х мерных векторов служат следующие функции

Существуют версии этой команды и для меньшего числа аргументов и для других типов передаваемых аргументов по аналогии с командами glVertex и glColor.

Также существует возможность передачи вершинных атрибутов в виде вершинных массивов при помощи следующей функции

Параметр normalized сообщает нужно ли проводить нормализацию переданного значения.

Можно включать и отключать поддержку отдельных вершинных массивов при помощи функций

Запись вершинного атрибута с индексом 0 вызывает выполнение вершинной программы (????)

Из самой программы можно обращаться к вершинным атрибутам как по индексу, так и используя имена для стандартных атрибутов. Соответствие между индексами и именами приводаится в таблице ниже.

Таблица 1. Соответствие между индексами и именами вершинных атрибутов.

Обратите внимание на то, что по стандарту приведенные пары соержат значения, которые не могут быть использованы однолвременно, например, если в программе используется сразу и обращение к vertex.position и обращение к vertex.attrib [0], то это приведет к ошибке при загрузке данной программы.

Задание вершинного атрибута с индексом 0 (включая и задание посредством команды glVertex*) вызывает выполнение программы для данной вершины.

Локальные параметры

Каждая программа получает в свое распоряжение массив из N 4-мерных вещественных векторов в качестве своих локальных параметров. Точно узнать максимальное количество локальных параметров можно при помощи следующего фрагмента кода, но их количество должно быть не менее 96.

При этом локальные параметры сохраняют свои значения не только между вызовами вершинной программы, но и даже при перезагрузке самой вершинной программы.

Для задания локальных параметров служат следующие функции

В качестве параметра target во всех этих функциях выступает GL_VERTEX_PROGRAM_ARB.

Из самой вершинной программы локальные программы доступны по имени program.local[index].

Узнать значение локального параметра можно при помощи функции

В качестве параметра target по-прежнему выступает константа GL_VERTEX_PROGRAM_ARB, параметр params указывает на массив с достаточным местом для размещения 4 вещественных чисел.

Параметры окружения

Кроме вершинных атрибутов, задаваемых в каждой вершине, и локальных параметров, уникальных для каждой вершинной программы, вершинная программа также получает с свое распоряжение массив из N 4-мерных вещественных векторов - так называемых параметров окружения. Этот набор параметров является общим для всех вершинных програм.

Максимальное количество параметров окружения можно узнать при помощи следующего фрагмента кода, но оно должно быть не менее 96.

Для задания значений параметров окружения служат следующие функции

Из самой вершинной программы локальные программы доступны по имени program.env[index].

Узнать значение параметра окружения с заданным индексом можно при помощи функции

В качестве параметра target по-прежнему выступает константа GL_VERTEX_PROGRAM_ARB, параметр params указывает на массив с достаточным местом для размещения 4 вещественных чисел.

Параметры состояния

Также из вершинной программы доступны параметры состояния OpenGL. В следующих таблицах приводятся основные параметры и имена для доступа к ним.

Таблица 2. Свойства материала.

Таблица 3.. Параметры источников света.

Таблица 4.. Параметры генерации текстурных координат.

Таблица 5.. Параметры вычисления затуманивания.

Таблица 6.. Параметры плоскостей отсечения.

Таблица 7.. Параметры точки.

Также программе доступен ряд матриц, перечисленных в следующей таблице.

Таблица 8.. Матрицы.

При этом к имени матрицы из таблицы 8 может бать добавлено ".inverse", ".transpose" и ".invtrans" для обозначения того, что следует указанную матрицу обратить/транспонировать/обратить и транспонировать.

Также к имени может быть добавлена ".row [n]" для получения заданного столбца матрицы как 4-х мерного вектора.

Запись state.matrix.program[n] используется для доступа к домолнительным матрицам. Из основной программы способ задания этих матриц аналогичен заданию матрицы модельного преобразования, проектирования и преобразования текстурных координат: вызывается функция glMatrixModeс параметром, равным GL_MATRIXn_ARB, где в качестве числа n используется номер матрицы.

Для получения максимально возможного числа таких матриц можно использовать следующий фрагмент кода

Результаты выполнения вершинная программа заносит в выходные регистры, приведенные в следующей таблице.

Таблица 9.. Регистры результата.

Ниже приводится фрагмент программы, печатающей информацию о константах, ограничивающий количество регистров, параметрво, временных переменных и т.п.

Полностью данная программа содержится в исходном коде к статье, доступном здесь для скачивания.

Структура вершинной программы

Вершинная программа представляет из себя набор строк, каждой строке соответствует какая-то команда (она также может быть пустой или содержать коментарий). Ниже приводится пример вершинной программы вычисляющей фоновое, диффузное и бликовое освещение от одного бесконечно-удаленного источника света.

Первая строка программы должна быть "!!ARBvp1.0", сообщающая, что далее идет вершинная программа, соответствующая версии 1.0.

Каждая команда (кроме команды END) должна завершаться точкой с запятой ";".

Завершается вершинная программа командой END.

Весь текст, идущий после символа "#" и до конца строки является комментарием и игнорируется.

Обратите внимание на то, что все имена команд, ключевые слова, используемые при объявлении переменных, а также слова vertex, state, program и result, являются зарезервированными.

Идентификаторы

В качестве идентификаторов в вершинной программе служат произвольные последовательности латинских букв, цифр и символа подчеркивания ("_") и знака доллара ("$"), начинающаяся не с цифры (например, Mu$st_Die).

Обратите внимание, что идентификаторы в вершинных программых чувствительны к регистрам букв, т.е. идентификаторы а1 и А1 различаются.

Каждый идентификатор переменной до его использования должен быть объявлен, само объявление может находится в любом месте программы (но до первого использоваиня данного идентификатора).

Временные переменные

Для хранения промежуточных значений вершинные программы могут использовать временные переменнные - 4-мерные вещественные вектора, которые перед использованием должны быть объявлены в команде TEMP.

Все временные переменные доступны врешинной программе как для чтения, так и для записи.

Пример.

Максимально возможное число временных переменных можно узнать при помощи следующего фрагмента кода:

Начальные значения временных переменных (как и выходных перемнных) не определены и зависят от реализации райвера.

Параметры

В качестве параметров могут выступать как 4-мерных вектора, так и массивы таких векторов.

Параметры могут задаваться как явно (через команду PARAM), так и неявно (путем непосредственной подстановки в текст).

При этом параметры представляеют из себя постоянные (на время выполнения вершинной прораммы) величины, то есть они для вершинной программы доступны только для чтения.

Пример.

Матрица задается как массив из 4 векторов-столбцов.

Если исходная матрица задавалась следующим фрагментом кода.

Также пусть в вершинной программе присутствуют следующие объявления.

Тогда mat1[0] принимает значение (1,2,3,4), mat1[3] принимает значение (13,14,15,16), mat2[0] принимат значение (1,5,9,13), и mat2[3] принимает значеие (4,8,12,16).

Вот еще несколько примеров параметров, основанных на матрицах.

Максимально возможное общее количество всех параметров (явных и неявных) можно получить из следующего фрагмента кода.

Можно связать параметр с каким-либо локальным параметром или параметром окружения:

Адресные переменные

Адресные переменные выступают фактически в качестве индексов при обращении к массивам векторов, представляя собой однокомпонентный целочисленный вектор

Для объявления адресных перменных служит команда ADDRESS.

Ниже приводится пример использования адресных переменных.

При использовании адресных переменных можно задавать смещение, лежащее в диапазоне о -64 до +63.

Выходные значения

Выходные параметры доступны только для записи и задаются командой OUTPUT:

Фактически команда OUTPUT просто создает ссылку на соответствующий выходной регистр.

Также можно создать второе имя для уже существующего параметра (alias):

Система команд

Всего поддерживается 27 различных инструкций, работающих с 4-мерными вещественными векторами. Каждая такая команда имеет следующий вид:

Здесь opCode - это символьный код инструкции, dest - это регистр, в который будет помещен результат выполнения команды, а величины src0, src1 и src2 - это регистры с исходными данными. Квадратными скобками обозначены необязатаельные величины.

Пример.

Необязательный знак минус ("-") позволяет в качестве источника использовать как сам регистр, так и вектор, получающийся из него умножением на -1.

Для входных регистров (src0, src1 и src2) существует возможность использовать вместо самого регистра вектор, получающийся из исходного путем перестановки его компонент, например:

Для выходного регистра можно задать маску, защищающую отдельные компоненты регистра от изменения

Рассмотрим систему команд.

Название	Синтаксис	Комментарий
ABS Вычисление модуля	ABS dest, src;	Данная команда осуществляет покомпонентное вычисление модуля dest=fabs(src)
ADD Сложение	ADD dest, src0, src1;	Данная команда складывает два параметра и записывает сумму в результат dest=src0+src1
ARL	ARL dest.C1, src.C2;	Загружает в адресный регистр значение целой части скалярного операнда
DP3 Вычисление скалярного произведения по первым трем компонентам	DP3 dest, src0, src1;	Данная команда вычисляет скалярное произведение источников как трехмерных векторов dest=src0.x*src1.x + src0.y*src1.y + src0.z*src1.z
DP4 Вычисление скалярного произведения	DP4 dest, src0, src1;	Данная команда вычисляет скалярное произведение четырехмерных векторов и записывает результат во все компоненты dest dest=src0.x*src1.x+src0.y*src1.y+src0.z*src1.z+src0.w*src1.w
DPH Вычисление однородного скалярного произведения	DPH dest, src0, src1;	Данная команда служит для вычисления однородного скалярного произведение dest=src0.x*src1.x + src0.y*src1.y + src0.z*src1.z + src1.w
DST Вычисление расстояния	DST dest, src0.C1, src1.C2;	Данная команда эффективно вычисляет вектор dest=(1,d,d^2,1/d) по двум скалярным значениям src0.C1=d^2 src1.C2=1/d
EX2 Приближенное вычисление 2 в степени	EX2 dest, src.C;	Для заданного скалярного операнда src.C вычисляет приближеное значение 2^src.C и записывает во все компоненты регистра dest
EXP Вычисление 2 в степени	EXP dest, src.C;	Служит для более точного вычисление 2^src.C dest.x=2^floor(src.C) dest.y=src.C - floor ( src.C) dest.z=roughAppr2ToX(floor(scr.C)) dest.w=1 Функция roughAppr2ToX вычисляет приближенное значение с точностью до 2^(-11)
FLR Вычисление floor	FLR dest, src;	Осуществляет покомпонентное вычисление целой части (floor)(наибольшего целого, не превосходящего аргумента) от компонент источника
FRC Вычисление дробной части	FRC dest, src;	Осуществляет покомпонентное вычисление дробной части. Дробная часть frac(x)=x-floor(x)
LG2 Приближенное вычисление логарифма по основанию 2	LG2 dest, src.C;	Вычисляет приближенное значение логарифма по основанию 2 от скалярного аргумента и записывает во все компоненты источника
LIT Вычисление коэффициентов освещения	LIT dest, src;	Служит для ускорения вычисления диффузной и бликовой освещенности в вершинах src.x=(n,l) src.y=(n,h> src.w=p - степень, приводится к отрезку [-128,128] На выходе dest.x=1 dest.y=max(0,(n,l)) dest.z=(n.l)>0?roughAppr2ToX(max(0,(n,h))^p):0 dest.w=1
LOG Вычисление логарифма по основанию 2	LOG dest, src.C;	Вычисляет приближенное значение логарифма по основанию 2 от скалярного операнда temp=fabs(src.C) dest.x=floor(log2(temp) dest.y=temp/2^floor(log2(temp)) dest.z=roughAppr2ToX(temp) dest.w=1
MAD Умножение и сложение	MAD dest, src0, src1, src2;	Вычисляет dest=src0*src1+src2
MAX Вычисление максимума	MAX dest, src0, src1;	Покомпонентное вычисление максимума dest=max(src0,src1)
MIN Вычисление минимума	MIN dest, src0, src1;	Покомпонентное вычисление минимума dest=min(src0,src1)
MOV Копирование	MOV dest, src;	dest=src
MUL Покомпонентное умножение	MUL dest, src0, src1;	Вычисляет покомпонентное произведение dest=src0*src1
POW Возведение в степень	POW dest, src0.C1, src1.C2;	Вычисление приближенного значения первого скалярного операнда, возведенного в степень второго скалярного операнда и записывает результат во все компоненты регистра dest apprPow(a,b)=apprExp2(b*apprLog2*a))
RCP Вычисление обратного	RCP dest, src.C;	Вычисляет приближенное значение обратного к скалярному операнду и записывает во все компоненты dest dest=1/src.C
RSQ	RSQ dest, src.C;	dest=1/sqrt(fabs(scr.C))
SGE Set on Greater or Equal	SGE dest, src0, src1;	dest.x=src0.x>=src1.x?1:0 dest.y=src0.y>=src1.y?1:0 dest.z=src0.z>=src1.z?1:0 dest.w=src0.w>=src1.w?1:0
SLTSet on Less Than	SLT dest, src0, src1;	dest.x=src0.xdest.y=src0.ydest.z=src0.zdest.w=src0.w
SUB Вычисление разности	SUB dest, src0, src1;	Покомпонентное вычисление разности операндов dest=src0-src1
SWZ "перемешивание" компонент	SWZ dest, src, <extSwizzle> где <extSwizzle> ::= <comp>, <comp>, <comp>, <comp> <comp> ::= [-] (0 | 1 | x | y | z | w)	Данная команда позволяет произвольным образом перемешать компоненты (или их часть), в качстве источника для компоненты может выступать любая компонента исходного регистра (со знаком или без) или же значения 0 и 1
XPD Вычисление векторного произведения	XPD dest, src0, src1;	Данная команда осуществляет вычисление векторного произвдения первых трех компонент первого операнда на первые три компоненты второго операнда и записывает в первые три компоненты dest

Примеры

Пример. Нормирование трехмерного вектора.

Пример. Вычисление определителя матрицы 3х3.

Пример. Преобразование в пространство отсечения.

Пример. Приведение угла к отрезку [0, 2*PI].

Пример. Смешение двух векторов (lerp)

Примеры использования вершинных программ

Вычисление необходимых параметров для попиксельного диффузного освещения

Когда мы расматривали попиксельное диффузное освещение и использованием register combiner', то возникала необходимость вычисления вектора на источника света (l) для каждой вершины выводимого объекта и перевод его в систем координат касательного пространства.

Это как раз простой пример той работы, которую может легко выполнять вершинная программа - получив координаты источника света (в одном из локальных параметров) она может по координатам вершины и базису касательного пространства (векторам t, b и n) вычислить вектор (l) и сразу перевести его в касательное пространство.

При этом все эти вычисления будут производиться полностью на GPU, единственное, что должен делать центральный процессор - это поставлять необходимые данные для каждой вершины.

Ниже приводится исходный текст соответствующей вершинной программы.

Полный исходный код к этому примеру содержится в ссылке, приведенной в конце статьи.

Вычисление необходимых параметров для попиксельного бликового освещения

Еще одним примером является вычисление необходимых векторов (l и h)для попиксельного бликового (specular) освещения.

Здесь вычисления несколько сложения - для каждой вершины необходимо найти вектора на источник света и на наблюдателя, нормировать их и найти их полусумму (вектор h).

Однако и с этой целью легко справляется вершинная программа, приводимая ниже.

Заворачиваем вершинную программу в класс

Для удобства использования вершинных программ и доступа к их параметрам можно завернуть вершинную программу (вместе с методами загрузки, доступа к параметрам, запросам на ограничения) в класс, предоставляющий весь необходимый доступ, но при этом скрывающей все внутренние детали.

В частности, довольно удобно было бы использовать для обращения к локальным параметрам и параметрам окружения таким же образом, каким это обращение происходит из самой вершинной программы, т.е. чтобы следующие примеры работали.

То есть фактически хочется реализовать то, что в Delphi, VB и других языках называется свойствами (property) - величина, с точки зрения внешнего пользователя выглядящая как обычная переменная. Но при этом доступ к ней (чтение и запись) происходит через специальные функции.

На самом деле на языке С++ это можно реализовать - в качесве соответствующей переменной должен выступать экземляр класса, у которого переопределен оператор присваивания и опреатор преобразования в нужный тип.

При этом сам класс может содержать внутри себя указатели на функции (или методы класса), обеспечивающие чтение и запись этого значение.

Ниже приводится описание класса, обеспечивающего доступ к векторным свойствам через скрытые внутри функции доступа.

При попытке присвоить экземпляру данного класса 4-х мерный вектор, происходит вызов переопределенного оператора присваивания, который делегирует этот запрос функции.

Аналогично чтение векторного значение приводит к вызову переопределенного оператора приведения типа, который также делегирует эту операцию заданной функции.

Использование приведенного класса ParamProxy позволяет реализовать доступ к любому параметру вершинной программы, однако, поскольку мы имеем дело с массивами этих параметров, ввести еще один класс, у которого перегружен оператор [] таким образом, что он возвращает соответствующий экземпляр класса ParamProxy.

Ниже приводится описание класса, реализующего абстракцию вершинной программы и работы с ней.

Весь исходный код к этой статье, включая реализацию класса VertexProgram и все приведенные примеры можно скачать здесь.

Более полное описание вершинных и фрагментных шейдеров, включая использование шейдеров на OpenGL Shading Language и многочисленные примеры, можно найти в недавно вышедшей книге "Расширения OpenGL".