.NET으로 구현하는 OpenGL (4), (5) - Shader
아래의 글에 이어,
.NET으로 구현하는 OpenGL (3) - Index Buffer
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11773
4회 강좌는,
OpenGL 3D Game Tutorial 4: Introduction to Shaders
; https://www.youtube.com/watch?v=AyNZG_mqGVE
Shader에 대한 설명을 할 뿐, 딱히 코드의 변경은 없습니다. Shader를 도입한 코드의 변경은 5회 강좌에서 설명합니다.
OpenGL 3D Game Tutorial 5: Coloring using Shaders
; https://youtu.be/4w7lNF8dnYw
소스 코드
; https://www.dropbox.com/sh/qtfhwru70y9sg8b/AAAweVar09wgu9DmmSO8yAf8a?dl=0
Shader를 도입하기 위해, 우선 (ShaderProgram 클래스를 상속한) StaticShader 인스턴스 생성 및 해제 코드와 Shader를 적용할 Model의 렌더링 시 전/후처리를 합니다.
// MainForm.cs
StaticShader _shader;
private void glControl_ContextCreated(object sender, OpenGL.GlControlEventArgs e)
{
GlControl glControl = (GlControl)sender;
_displayManager.createDisplay(glControl);
_loader = new Loader();
_renderer = new Renderer();
_shader = new StaticShader();
_model = _loader.loadToVAO(_vertices, _indices);
}
private void glControl_ContextDestroying(object sender, GlControlEventArgs e)
{
_loader.CleanUp();
_shader.CleanUp();
}
private void glControl_Render(object sender, OpenGL.GlControlEventArgs e)
{
Control senderControl = (Control)sender;
Gl.Viewport(0, 0, senderControl.ClientSize.Width, senderControl.ClientSize.Height);
_renderer.Prepare();
_shader.Start();
_renderer.Render(_model);
_shader.Stop();
_displayManager.updateDisplay();
}
자, 그럼 StaticShader에는 무슨 일을 하느냐? 하면 GLSL 문법의 vertex shader와 fragment shader 파일을,
#version 400 core
in vec3 _position;
out vec3 _colour;
void main(void)
{
gl_Position = vec4(_position, 1.0);
_colour = vec3(_position.x + 0.5, 1.0, _position.y + 0.5);
}
#version 400 core
in vec3 _colour;
out vec4 _out_Color;
void main(void)
{
_out_Color = vec4(_colour, 1.0);
}
로드해서 런타임 시에 컴파일해 보관하고 있어야 합니다. (아래의 코드는 정형화된 코드 절차이므로 거의 그대로 재사용할 수 있습니다.)
using OpenGL;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;
namespace GameApp
{
public abstract class ShaderProgram
{
uint _programID;
uint _vertexShaderID;
uint _fragmentShaderID;
public ShaderProgram(string vertexFile, string fragmentFile)
{
_vertexShaderID = loadShader(vertexFile, ShaderType.VertexShader);
_fragmentShaderID = loadShader(fragmentFile, ShaderType.FragmentShader);
_programID = Gl.CreateProgram();
Gl.AttachShader(_programID, _vertexShaderID);
Gl.AttachShader(_programID, _fragmentShaderID);
bindAttributes();
Gl.LinkProgram(_programID);
Gl.ValidateProgram(_programID);
}
protected abstract void bindAttributes();
public void Start()
{
Gl.UseProgram(_programID);
}
public void Stop()
{
Gl.UseProgram(0);
}
public void CleanUp()
{
Stop();
Gl.DetachShader(_programID, _vertexShaderID);
Gl.DetachShader(_programID, _fragmentShaderID);
Gl.DeleteShader(_vertexShaderID);
Gl.DeleteShader(_fragmentShaderID);
Gl.DeleteProgram(_programID);
}
protected void bindAttribute(uint attribute, string variableName)
{
Gl.BindAttribLocation(_programID, attribute, variableName);
}
static uint loadShader(string file, ShaderType type)
{
string[] codeText = ReadShaderCode(file);
uint shaderID = Gl.CreateShader(type);
Gl.ShaderSource(shaderID, codeText);
Gl.CompileShader(shaderID);
int compileResult = Gl.FALSE;
Gl.GetShader(shaderID, ShaderParameterName.CompileStatus, out compileResult);
if (compileResult == Gl.FALSE)
{
throw new InvalidDataException(OpenGLExtension.GetShaderInfoLog(shaderID));
}
return shaderID;
}
private static string[] ReadShaderCode(string file)
{
// ...[생략: 파일 텍스트 로드]...
}
}
}
ShaderProgram 타입에서 bindAttributes 메서드를 abstract로 해놓았으니, 당연히 ShaderProgram 타입을 상속받은 타입을 정의해야 하고 그것이 MainForm.cs에서 사용한 StaticShader입니다.
namespace GameApp
{
public class StaticShader : ShaderProgram
{
const string VERTEX_FILE = "./shaders/vertexShader.txt";
const string FRAGMENT_FILE = "./shaders/fragmentShader.txt";
public StaticShader() : base(VERTEX_FILE, FRAGMENT_FILE)
{
}
protected override void bindAttributes()
{
base.bindAttribute(0, "position");
}
}
}
바인딩은 0번 위치에 "position"이라는 이름으로 하고 있습니다. 이것은 vertexShader의 소스 코드를 보면 이해할 수 있습니다.
#version 400 core
in vec3 _position;
out vec3 _colour;
void main(void)
{
gl_Position = vec4(_position, 1.0);
_colour = vec3(_position.x + 0.5, 1.0, _position.y + 0.5);
}
위의 소스 코드에 보면 "_position" 이름이 나오는데 원래 저 변수는 다음과 같이 선언한 것을 줄인 것입니다.
layout(location = 0) in vec3 _position;
다시 말해, 이름은 달라도 되지만 location으로 바인딩한 숫자는 틀리면 안 됩니다. 그렇긴 해도 이름 역시 맞춰주는 것이 일관성을 위해 좋을 것입니다. 만약 이름을 기준으로 location 위치를 동적으로 구하고 싶다면 다음과 같은 식으로 Gl.GetAttribLocation 메서드를 이용할 수 있습니다.
protected void bindAttribute(...)
{
uint id = (uint)Gl.GetAttribLocation(_programID, "_position"); // vertex shader 코드의 변수 중 "_position"에 대한 location 값을 반환
Gl.BindAttribLocation(_programID, id, "_position");
}
그런데, 사실 Gl.BindAttribLocation 메서드에서는 이름과 ID만을 바인딩할 뿐 값이 없습니다. 실질적인 값은, VBO가 로드된 VAO의 슬롯 번호를 통해서 전달하기 때문입니다.
public RawModel loadToVAO(float [] positions, int[] indices)
{
uint vaoID = createVAO();
bindIndicesBuffer(indices);
storeDataInAttributeList(0, positions);
unbindVAO();
return new RawModel(vaoID, positions.Length);
}
unsafe void storeDataInAttributeList(uint attributeNumber, float [] data)
{
uint vboID = Gl.GenBuffer();
vbos.Add(vboID);
Gl.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, vboID);
Gl.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, (uint)(data.Length * sizeof(float)), data, BufferUsage.StaticDraw);
Gl.VertexAttribPointer(attributeNumber, 3, VertexAttribType.Float, false, 0, IntPtr.Zero);
Gl.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, 0);
}
Gl.VertexAttribPointer의 호출로 Vertex 위치를 가리키는 VBO 데이터가 attributeNumber (== 0)에 해당하는 슬롯으로 지정되었기 때문에 Shader의 Gl.GetAttribLocation에서 이 값과 연결된 것입니다. 그런데 솔직히 Gl.BindAttribLocation이 왜 필요한지 잘 모르겠습니다. 어차피 Gl.VertexAttribPointer에 의해 0번으로 지정되었는데, 그 값을 shader 처리 클래스에서 Gl.BindAttribLocation을 이용해 슬롯 번호를 다른 것으로 할당하는 것이 크게 의미가 없어 보이기 때문입니다. (혹시, 나중에 POSITION 관련 값들이 다중으로 전달될 때 이를 명시하기 위한 걸로 사용되는 걸까요?)
암튼, 실제로 현재 예제에서는 ShaderProgram 타입의 bindAttribute를 주석 처리해도 shader가 잘 동작합니다.
protected void bindAttribute(uint attribute, string variableName)
{
// Gl.BindAttribLocation(_programID, attribute, variableName);
}
다음은 이번 글의 예제가 동작했을 때 보이는 화면입니다.
(
첨부 파일은 이 글의 예제 프로젝트를 포함합니다.)
문서에 보면 아래의 예제에서,
#version 400 core
/* layout(location = 0) */ in vec3 position;
out vec3 colour;
void main(void)
{
gl_Position = vec4(position, 1.0);
colour = vec3(position.x + 0.5, 1.0, position.y + 0.5);
}
VertexAttribPointer에 전달한 attributeNumber 슬롯 번호는 위의 shader에 할당한 location의 값과 맞춰주기만 하면 된다고 합니다. 그런데 실제로 테스트해 보면 현재 단계에서는 오직 양쪽 모두 0번으로 설정했을 때만 정상적으로 그려지는 것을 확인할 수 있습니다. 만약 VertexAttribPointer의 값이 크고 shader 측의 location 값이 낮다면 비정상 종료하고, 그 반대의 경우라면 (당연히) 데이터가 안 들어왔을 테니 vertex shader의 출력이 비어 있게 됩니다.
아마도, VAO에 더 많은 VBO를 슬롯에 할당한 경우에는 번호를 맞춰주는 식으로 동작을 할 것 같습니다.
참고로, VAO에 무작정 많은 VBO 슬롯을 할당할 수 있는 것은 아닙니다. 이것은 버전마다 틀린데 근래의 GPU에서는 대부분 16개를 지원한다고 합니다. 이 슬롯의 최대 개수를 코드로 얻고 싶다면 다음과 같은 메서드를 만들 수 있습니다.
int GetMaxVertexAttribs()
{
ulong[] values = new ulong[1];
Gl.GetIntegerNV(Gl.MAX_VERTEX_ATTRIBS, values);
return (int)values[0];
}
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