Horse3D游戲引擎研發筆記（六）：在QtOpenGL環境下，仿Unity的材質管理Shader繪制四邊形

在上一篇筆記中，我們已經實現了基于QtOpenGL的BufferGeometry管理VAO和EBO繪制四邊形的功能。這一次，我們將深入探討材質管理系統的實現，包括Shader的加載與編譯、材質的創建與使用，以及如何通過材質系統繪制帶有自定義Shader效果的四邊形。

一、Horse3D引擎的材質管理系統

在現代三維引擎中，材質管理系統是渲染系統的核心模塊之一。它負責管理模型表面的視覺效果，包括顏色、紋理、光照響應等。在Horse3D引擎中，我們參考了Unity和Three.js的材質系統設計，實現了以下功能：

  1. 材質的定義與加載：通過JSON格式的材質文件定義材質屬性，包括頂點著色器、片段著色器、紋理資源等。
  2. Shader的編譯與管理：支持 Shader 的動態加載與編譯，通過Builder模式管理Shader程序的創建與緩存。
  3. 材質的實例化與使用：通過Material類管理材質的OpenGL狀態，并提供統一的接口綁定材質進行渲染。

二、關鍵技術與實現細節

1. 材質文件的定義

在Horse3D中，材質通過JSON文件進行定義。以下是一個典型的材質文件示例：

{"Attributes": [{"Name": "a_position","Dimension": 3},{"Name": "a_texcoord","Dimension": 2}],"Uniforms": [{"Name": "u_fragColor","Type": "Color","Value": "#FFFF00"},{"Name": "u_texture_fei","Type": "Texture2D","Value": "Materials/Test/fei.jpg"},{"Name": "u_texture_tang","Type": "Texture2D","Value": "Materials/Test/tang.jpeg"}],"Shaders": [{"ShaderEnum": "Vertex","SourceFile": "Materials/Test/Test.vert"},{"ShaderEnum": "Fragment","SourceFile": "Materials/Test/Test.frag"}]
}

該文件定義了材質的頂點屬性、Uniform變量以及Shader程序。通過這種方式，我們可以靈活地配置材質的視覺效果。這一部分的設計靈感來源于Unity與OpenGL中的材質系統詳解。

2. Shader程序的加載與編譯

在Horse3D中，Shader程序的加載與編譯通過MaterialBuilder類實現。該類采用Builder模式，負責解析材質文件、加載Shader代碼、編譯Shader程序并緩存編譯結果。

Shader代碼的解析與加載

在MaterialBuilder類中，getShaderProgramCode方法負責從材質文件中提取Shader代碼。通過解析Shaders數組，我們可以獲取頂點著色器和片段著色器的源代碼路徑，并將其加載到內存中。

std::map<QOpenGLShader::ShaderTypeBit, QString> MaterialBuilder::getShaderProgramCode(const QJsonValue& shadersValue)
{static std::map<QString, QOpenGLShader::ShaderTypeBit> shaderTypeMap = {{ "Vertex", QOpenGLShader::Vertex },{ "Fragment", QOpenGLShader::Fragment }};std::map<QOpenGLShader::ShaderTypeBit, QString> shaderProgramCode;for (const QJsonValue& shaderValue : shadersValue.toArray()){const QJsonObject& shaderObject = shaderValue.toObject();QOpenGLShader::ShaderTypeBit shaderType = shaderTypeMap[shaderObject["ShaderEnum"].toString()];QString sourcePath = QHutu::applicationDirPath(shaderObject["SourceFile"].toString());shaderProgramCode.insert(std::pair<QOpenGLShader::ShaderTypeBit, QString>(shaderType, QHutu::readTextFile(sourcePath)));}return shaderProgramCode;
}

Shader程序的編譯與鏈接

在createShaderProgram方法中，我們通過QOpenGLShaderProgram類編譯和鏈接Shader程序。具體步驟如下：

  1. 創建頂點著色器和片段著色器對象。
  2. 加載并編譯Shader源代碼。
  3. 將編譯后的Shader添加到Shader程序中。
  4. 鏈接Shader程序并驗證其有效性。
QOpenGLShaderProgram* MaterialBuilder::createShaderProgram(const QString& key)
{std::map<QString, QOpenGLShaderProgram*>::iterator iter = m_shaderPrograms.find(key);if (iter != m_shaderPrograms.end()){return iter->second;}std::map<QString, std::map<QOpenGLShader::ShaderTypeBit, QString>>::iterator iterator = m_shaderProgramCodes.find(key);if (iterator == m_shaderProgramCodes.end()){return nullptr;}QOpenGLShaderProgram* shaderProgram = new QOpenGLShaderProgram();std::map<QOpenGLShader::ShaderTypeBit, QString> shaderProgramCode = iterator->second;for (std::pair<QOpenGLShader::ShaderTypeBit, QString> shaderCode : shaderProgramCode){QOpenGLShader* shader = new QOpenGLShader(shaderCode.first);shader->compileSourceCode(shaderCode.second);shaderProgram->addShader(shader);}bool result = shaderProgram->link() && shaderProgram->bind();if (result){m_shaderPrograms.insert(std::pair<QString, QOpenGLShaderProgram*>(key, shaderProgram));}else{return nullptr;}return shaderProgram;
}

通過這種方式，我們可以動態地創建和管理多個Shader程序。這一部分的實現參考了深入理解OpenGL Shader與GLSL：基礎知識與優勢分析。

3. 材質的創建與使用

在Material類中，我們封裝了材質的OpenGL狀態管理功能。通過createOpenGLState方法，我們可以為當前材質創建OpenGL狀態（如綁定Shader程序）。通過useMaterial方法，我們可以綁定當前材質并進行渲染。

void Material::createOpenGLState(IScreen* screen)
{m_shaderProgram = MaterialBuilder::materialBuilder()->createShaderProgram(m_key);
}bool Material::useMaterial()
{if (m_shaderProgram == nullptr){return false;}m_shaderProgram->bind();return true;
}

三、繪制四邊形的實現

在Horse3D中，繪制四邊形的過程可以分為以下幾個步驟：

1. 初始化材質與幾何體

在FerghanaScreen類的構造函數中，我們創建了材質和四邊形對象：

Material* material;
Quadrangle* quadrangle;FerghanaScreen::FerghanaScreen(QWidget* parent): IScreen(parent)
{quadrangle = new Quadrangle();material = createMaterial("Materials/Test/Test.material");
}

2. 創建OpenGL狀態

在initializeGL方法中，我們初始化OpenGL環境，并為材質和幾何體創建OpenGL狀態：

void FerghanaScreen::initializeGL()
{initializeOpenGLFunctions();glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);quadrangle->createOpenGLState(this);material->createOpenGLState(this);
}

3. 渲染四邊形

在paintGL方法中，我們綁定材質并繪制四邊形：

void FerghanaScreen::paintGL()
{glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);material->useMaterial();quadrangle->useGeometry(this);glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
}

這一部分的實現參考了之前的開發筆記在QtOpenGL環境下，仿three.js的BufferGeometry管理VAO和EBO繪制四邊形。

四、結果與分析

通過上述實現，我們可以在QtOpenGL環境下成功繪制帶有自定義Shader效果的四邊形。以下是本次實現的關鍵點總結：

  1. 材質管理系統的實現：通過Material類和MaterialBuilder類，我們實現了材質的動態加載與管理，支持Shader程序的編譯與緩存。
  2. Shader程序的動態加載：通過解析JSON格式的材質文件，我們實現了Shader程序的動態加載與編譯，支持靈活的Shader配置。
  3. 四邊形的繪制：通過結合材質系統和幾何體管理模塊，我們實現了帶有自定義Shader效果的四邊形的繪制。

五、項目介紹

Horse渲染內核基于Qt與OpenGL開發，是一款三維引擎。本項目將不提供編輯器，以SDK的形式對外提供接口。本項目將參考Three.js與Unity等眾多渲染引擎的API設計，致力于開發出一款具有競爭力的渲染引擎內核。

地址：

  • Gitee
  • GitHub

六、總結與展望

在本次開發中，我們成功實現了Horse3D引擎的材質管理系統，并通過該系統繪制了帶有自定義Shader效果的四邊形。這為后續的三維模型渲染奠定了基礎。

未來，我們計劃在以下方面進一步完善材質管理系統：

  1. 支持更多的Shader類型：如幾何著色器、曲面細分著色器等。
  2. 優化Shader程序的緩存機制：通過更高效的緩存策略減少Shader編譯的開銷。
  3. 支持更多的材質屬性：如光照模型、反射模型等。

通過不斷優化和擴展，我們希望將Horse3D引擎打造成為一款具有競爭力的三維渲染引擎內核。

七、參考文獻

  1. 深入理解OpenGL Shader與GLSL：基礎知識與優勢分析
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/150076191

  2. Unity與OpenGL中的材質系統詳解
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/150432587

  3. Three.js 材質系統深度解析
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/150448417

  4. 應用Builder模式在C++中進行復雜對象構建
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/149831961

  5. Horse3D游戲引擎研發筆記（一）：從使用Qt的OpenGL庫繪制三角形開始
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/150006641

  6. Horse3D游戲引擎研發筆記（二）：基于QtOpenGL使用仿Three.js的BufferAttribute結構重構三角形繪制
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/150063706

  7. Horse3D游戲引擎研發筆記（三）：使用QtOpenGL的Shader編程繪制彩色三角形
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/150114327

  8. Horse3D游戲引擎研發筆記（四）：在QtOpenGL下仿three.js，封裝EBO繪制四邊形
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/150235885

  9. Horse3D游戲引擎研發筆記（五）：在QtOpenGL環境下，仿three.js的BufferGeometry管理VAO和EBO繪制四邊形
    https://blog.csdn.net/2503_92624912/article/details/150400945

Horse3D游戲引擎研發筆記（七）：在QtOpenGL環境下，使用改進的Uniform變量管理方式繪制多彩四邊形 （相較于Unity、Unreal Engine與Godot引擎）

Pomian語言處理器 研發筆記（一）：使用C++的正則表達式構建詞法分析器

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