在 OpenGL ES 2.0 上实现视差贴图(Parallax Mapping)

在 OpenGL ES 2.0 上实现视差贴图(Parallax Mapping)

视差贴图

最近一直在研究如何在我的 iPad 2(只支持 OpenGL ES 2.0, 不支持 3.0) 上实现 视差贴图(Parallax Mapping) 和 位移贴图(Displacement Mapping).

经过一番研究, 搜索阅读了不少文章, 终于确定, OpenGL ES 2.0 可以支持 视差贴图, 不过暂时还没什么好办法支持 位移贴图.

因为就我目前所了解的位移贴图, 有这么两种方法来实现, 一种是用 Tessellation 来提供多面数网格, 另一种是在顶点着色器中对高度图进行纹理采样来计算对应的顶点偏移量.

第一种方法就不必想了, 因为目前移动设备的 OpenGL ES 2.0/3.0 都不支持(貌似 DX11 和 OpenGL 4.0 才支持), 而 OpenGL ES 3.0 衍生自 OpenGL 3.3.

第二种方法目前看起来只能在 OpenGL ES 3.0 上使用, 请参考这篇文档Jim's GameDev Blog: 置换贴图 Displacement Mapping. 不过没办法在 OpenGL ES 2.0 上使用, 因为它要求在顶点着色器中进行纹理采样, 而这个特性恰恰是 2.0 不支持, 3.0 支持的.

我们可以看看 Jim 在 3.0 设备上实现位移贴图的效果:

原始图:

使用位移贴图后的效果:

好了, 现在在我们的 2.0 设备上实现我们的 视差贴图 吧, 先看看效果:

使用不同参数的效果:

• height_scale = -0.015

• height_scale = -0.055

• height_scale = -0.095

你可以灵活调整这些参数:

• lightPos: 光源位置
• viewPos: 眼睛位置
• height_scale: 高度图取样值缩放比例

看看这个视频 video:

实现细节

关键技术点就这么几个:

手动构造正切空间 TBN 变换矩阵

如果你使用比较大的引擎, 比如 Unity, 它会帮你计算好法线,切线和次法线, 如果自己开发, 没有使用这些引擎, 那么很可能就需要自己手动构造了.

目前我发现有 3 种根据法线手动计算 TBN 的近似算法, 其中一种既能在 OpenGL ES 2.0 的顶点着色器内使用, 也能在片段着色器内使用, 就是我们下面要提到的这种, 主要原理就是已知了法线 Normal, 要据此求出对应的切线 Tangent 和 次法线 Binormal, 因为它们两两垂直, 而且 TB 跟 UV 对齐, 因此很容易求得 T, 再根据 T 和 N 求得 B, 算法代码如下:

	// 根据法线 N 计算 T，B
    vec3 tangent; 
    vec3 binormal; 

    // 使用顶点属性法线，并归一化
    vec3 Normal = normalize(normal*2.0-1.0);

	// 通过叉积来计算夹角
    vec3 c1 = cross(Normal, vec3(0.0, 0.0, 1.0)); 
    vec3 c2 = cross(Normal, vec3(0.0, 1.0, 0.0)); 
	
	// 方向朝外的是我们要的
    if ( length(c1) > length(c2) ) { tangent = c1;	} else { tangent = c2;}
	
    // 归一化切线和次法线
    tangent = normalize(tangent);
    binormal = normalize(cross(normal, tangent)); 
    
    vec3 T = normalize(mat3(model) * tangent);
    vec3 B = normalize(mat3(model) * binormal);
    vec3 N = normalize(mat3(model) * normal);
    
    // 构造出 TBN 矩阵
    mat3 TBN = mat3(T, B, N);

得到 TBN 矩阵后, 既可以把其他向量从其他空间变换进正切空间来, 也可以把正切空间的向量变换到其他空间去. 通常意义的做法是:

• TBN 用于正向变换
• TBN 的逆阵用于反向变换

不过在 OpenGL 中, 你把矩阵放在向量左边乘, 就是正向变换, 它会按列矩阵处理; 你把矩阵放在向量右边乘就是反向变换, 它会按行矩阵处理. 这样就不需要再进行矩阵求逆的操作了.

视差映射函数

视差贴图 的本质就是根据高度纹理图的不同高度以及视线向量的坐标, 来实时计算纹理坐标在视线下的偏移, 并以此作为新的纹理坐标来从纹理贴图中进行取样.

代码如下:

// The Parallax Mapping
vec2 ParallaxMapping1(vec2 texCoords, vec3 viewDir)
{ 
    float height =  texture2D(depthMap, texCoords).r;     
    return texCoords - viewDir.xy / viewDir.z * (height * height_scale);            
}

在此基础上提出的 视差遮掩 可以提供更好的视觉效果, 具体原理在代码注释中.

光照模型

最后就是一个非常简单的光照模型, 先从原始纹理中取样, 以此为基础, 缩小10倍作为环境光, 根据前面计算得到的切线来计算光线摄入方向, 再结合法线可以计算出漫射光和反射光, 最后把这些光线混合就得到最终的光照颜色值了.

这个光照模型的好处是简单易用, 不需要另外设置过多参数, 坏处就是不太灵活, 实际使用时可以把参数设置为可变, 或者直接换成其他光照模型也可以(具体的参数值就需要自己调整了).

因为代码自己计算构造了 TBN 变换矩阵, 所以这段 shader 代码具有很好的移植性, 可以轻松地把它用在其他地方.

完整代码

代码如下:

function setup()
    displayMode(OVERLAY)
    print("试验 OpenGL ES 2.0 中位移贴图的例子")
    print("Test the Parallax Mapping in OpenGL ES 2.0")

    img1 = readImage("Dropbox:dm")
    img2 = readImage("Dropbox:dnm1")
    img3 = readImage("Dropbox:dm1")
    local w,h = WIDTH,HEIGHT
    local c = color(223, 218, 218, 255)
    m3 = mesh()
    m3i = m3:addRect(w/2,h/2,w/1,h/1)
    m3:setColors(c)
    m3.texture = img1
    m3:setRectTex(m3i,0,0,1,1)
    m3.shader = shader(shaders.vs,shaders.fs)
    m3.shader.diffuseMap = img1
    m3.shader.normalMap = img2
    m3.shader.depthMap =  img3

    -- local tb = m3:buffer("tangent")
    -- tb:resize(6)
    tchx,tchy = 0,0
end

function draw()
    background(40, 40, 50)

    perspective()
    -- camera(e.x, e.y, e.z, p.x, p.y, p.z)
    -- 用于立方体
    -- camera(300,300,600, 0,500,0, 0,0,1)
    -- 用于平面位移贴图
    camera(WIDTH/2,HEIGHT/2,1000, WIDTH/2,HEIGHT/2,-200, 0,1,0)
    
    -- mySp:Sphere(100,100,100,0,0,0,10)
    light = vec3(tchx, tchy, 100.75)
    view = vec3(tchx, tchy, 300.75)
    -- light = vec3(300, 300, 500)
    -- rotate(ElapsedTime*5,0,1,0)
    -- m3:setRect(m2i,tchx,tchy,WIDTH/100,HEIGHT/100)

    setShaderParam(m3)
    m3:draw()   
end

function touched(touch)
    if touch.state == BEGAN or touch.state == MOVING then
        tchx=touch.x+10
        tchy=touch.y+10
    end
end

function setShaderParam(m)
    m.shader.model = modelMatrix()
    m.shader.lightPos = light 
    -- m.shader.lightPos = vec3(0.5, 1.0, 900.3)
    m.shader.viewPos = vec3(WIDTH/2,HEIGHT/2,5000) 
    m.shader.viewPos = view
    -- m.shader.viewPos = vec3(0.0, 0.0, 90.0)
    m.shader.parallax = true
    m.shader.height_scale = -0.015
end

-- 试验 视差贴图 中的例子
shaders = {
vs = [[
attribute vec4 position;
attribute vec3 normal;
attribute vec2 texCoord;
//attribute vec3 tangent;
//attribute vec3 bitangent;

varying vec3 vFragPos;
varying vec2 vTexCoords;
varying vec3 vTangentLightPos;
varying vec3 vTangentViewPos;
varying vec3 vTangentFragPos;

uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;
uniform mat4 model;
uniform mat4 modelViewProjection;

uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 viewPos;

void main()
{
    //gl_Position = projection * view * model * position;
    gl_Position = modelViewProjection * position;
    vFragPos = vec3(model * position);   
    vTexCoords = texCoord;
    
    // 根据法线 N 计算 T，B
    vec3 tangent; 
    vec3 binormal; 

    // 使用顶点属性法线，并归一化
    vec3 Normal = normalize(normal*2.0-1.0);

    vec3 c1 = cross(Normal, vec3(0.0, 0.0, 1.0)); 
    vec3 c2 = cross(Normal, vec3(0.0, 1.0, 0.0)); 
	
    if ( length(c1) > length(c2) ) { tangent = c1;	} else { tangent = c2;}
	
    // 归一化切线和次法线
    tangent = normalize(tangent);
    binormal = normalize(cross(normal, tangent)); 
    
    vec3 T = normalize(mat3(model) * tangent);
    vec3 B = normalize(mat3(model) * binormal);
    vec3 N = normalize(mat3(model) * normal);
    mat3 TBN = mat3(T, B, N);

    vTangentLightPos = lightPos*TBN;
    vTangentViewPos  = viewPos*TBN;
    vTangentFragPos  = vFragPos*TBN;
}
]],

fs = [[
precision highp float;

varying vec3 vFragPos;
varying vec2 vTexCoords;
varying vec3 vTangentLightPos;
varying vec3 vTangentViewPos;
varying vec3 vTangentFragPos;

uniform sampler2D diffuseMap;
uniform sampler2D normalMap;
uniform sampler2D depthMap;

uniform bool parallax;
uniform float height_scale;

vec2 ParallaxMapping(vec2 texCoords, vec3 viewDir);
vec2 ParallaxMapping1(vec2 texCoords, vec3 viewDir);

// The Parallax Mapping
vec2 ParallaxMapping1(vec2 texCoords, vec3 viewDir)
{ 
    float height =  texture2D(depthMap, texCoords).r;     
    return texCoords - viewDir.xy / viewDir.z * (height * height_scale);            
}

// Parallax Occlusion Mapping
vec2 ParallaxMapping(vec2 texCoords, vec3 viewDir)
{ 
    // number of depth layers
    const float minLayers = 10.0;
    const float maxLayers = 50.0;
    float numLayers = mix(maxLayers, minLayers, abs(dot(vec3(0.0, 0.0, 1.0), viewDir)));  
    // calculate the size of each layer
    float layerDepth = 1.0 / numLayers;
    // depth of current layer
    float currentLayerDepth = 0.0;
    // the amount to shift the texture coordinates per layer (from vector P)
    vec2 P = viewDir.xy / viewDir.z * height_scale; 
    vec2 deltaTexCoords = P / numLayers;
  
    // get initial values
    vec2  currentTexCoords     = texCoords;
    float currentDepthMapValue = texture2D(depthMap, currentTexCoords).r;
      
    while(currentLayerDepth < currentDepthMapValue)
    {
        // shift texture coordinates along direction of P
        currentTexCoords -= deltaTexCoords;
        // get depthmap value at current texture coordinates
        currentDepthMapValue = texture2D(depthMap, currentTexCoords).r;  
        // get depth of next layer
        currentLayerDepth += layerDepth;  
    }
    
    // -- parallax occlusion mapping interpolation from here on
    // get texture coordinates before collision (reverse operations)
    vec2 prevTexCoords = currentTexCoords + deltaTexCoords;

    // get depth after and before collision for linear interpolation
    float afterDepth  = currentDepthMapValue - currentLayerDepth;
    float beforeDepth = texture2D(depthMap, prevTexCoords).r - currentLayerDepth + layerDepth;
 
    // interpolation of texture coordinates
    float weight = afterDepth / (afterDepth - beforeDepth);
    vec2 finalTexCoords = prevTexCoords * weight + currentTexCoords * (1.0 - weight);

    return finalTexCoords;
}

void main()
{           
    // Offset texture coordinates with Parallax Mapping
    vec3 viewDir = normalize(vTangentViewPos - vTangentFragPos);
    vec2 texCoords = vTexCoords;
    if(parallax)
        texCoords = ParallaxMapping(vTexCoords,  viewDir);
        
    // discards a fragment when sampling outside default texture region (fixes border artifacts)
    if(texCoords.x > 1.0 || texCoords.y > 1.0 || texCoords.x < 0.0 || texCoords.y < 0.0)
       discard;

    // Obtain normal from normal map
    vec3 normal = texture2D(normalMap, texCoords).rgb;
    normal = normalize(normal * 2.0 - 1.0);   
   
    // Get diffuse color
    vec3 color = texture2D(diffuseMap, texCoords).rgb;
    // Ambient
    vec3 ambient = 0.1 * color;
    // Diffuse
    vec3 lightDir = normalize(vTangentLightPos - vTangentFragPos);
    float diff = max(dot(lightDir, normal), 0.0);
    vec3 diffuse = diff * color;
    // Specular    
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    vec3 halfwayDir = normalize(lightDir + viewDir);  
    float spec = pow(max(dot(normal, halfwayDir), 0.0), 32.0);

    vec3 specular = vec3(0.2) * spec;
    gl_FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
]]
}

其中法线图(img2),高度图(img3) 都是通过软件 CrazyBump 根据原始纹理(img1)生成的.

你也可以下载它们直接使用:

img1:

img2:

img3:

参考

38 视差贴图
视差贴图（Parallax Mapping）与陡峭视差贴图(Steep Palallax Mapping)
Parallax Occlusion Mapping in GLSL
Jim's GameDev Blog: 置换贴图 Displacement Mapping