Qt 3D的研究（十）：描边渲染（轮廓渲染）以及Silhouette Shader

之前写了两篇文章，介绍了我在边缘检測上面的研究。实际上。使用GPU对渲染图像进行边缘检測。前提是须要进行两遍渲染。前一遍渲染的结果作为后一遍结果的输入纹理。接着在第二遍渲染的时候，对二维图像做一些图像处理，终于得出带轮廓的描边渲染效果，接着和正常渲染混合在一起。就成为渲染的终于图像。但是，这种做法，是对二维图像做的图像处理，即使像上次对提取的深度进行图像处理，也无法准确地依据深度的突变来提取我们须要的边缘。所以我们须要新的方法来提取模型的边缘。

蒋彩阳原创文章，首发地址：http://blog.csdn.net/gamesdev/article/details/44455901。欢迎同行前来探讨。

在这样的情况下，我在网上搜索到了一篇文章。介绍了提取轮廓的方法：

1、顶点着色阶段，计算在view视角下的顶点到视点原点向量与在顶点位置向量的法向量。

2、对顶点到视点原点向量与法向量归一化，然后进行点积，表示夹角θ的cos值

3、假设cosθ>0，那么意味着θ<90°。能够代表这个顶点所在的面（当然也有可能是面面相交的棱上的点）朝向视点。表示正面，既然是正面，就显示原顶点位置；假设cosθ<0，那么意味着90°<θ<180°。能够代表这个面是背面。于是须要将顶点沿着法线偏移一定的距离，形成silhouette（轮廓）。

4、片断着色阶段，假设是正面的话，那么显示的是正常的片元颜色，否则显示的是黑色（或者是其他暗色）。

依据这种流程，我写了一个简单的着色器：

// Silhouette.vert
#version 100

// Qt 3D默认提供的參数
attribute vec3 vertexPosition;
attribute vec3 vertexNormal;
uniform mat4 modelView;
uniform mat3 modelViewNormal;
uniform mat4 modelNormalMatrix;
uniform mat4 mvp;

// 自己提供的參数
uniform vec3 lightPosition;
varying float lightIntensity;

float getLightIntensity( )
{
    vec3 ecPos = vec3( modelView * vec4( vertexPosition, 1.0 ) );
    vec3 normal = modelViewNormal * vertexNormal;
    ecPos = normalize( ecPos );
    normal = normalize( normal );
    return dot( -ecPos, normal );
}

void main( void )
{
    const float bias = 0.2;
    vec3 silhouettePosition = vertexPosition + normalize( vertexNormal ) * bias;
    lightIntensity = getLightIntensity( );
    if ( lightIntensity > 0.0 ) gl_Position = mvp * vec4( vertexPosition, 1.0 );
    else gl_Position = mvp * vec4( silhouettePosition, 1.0 );
}

// Silhouette.frag
#version 110

// 自己提供的參数
varying float lightIntensity;

void main( void )
{
    vec4 light = vec4( 0.9, 0.7, 0.5, 1.0 );
    vec4 dark = vec4( 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 );
    gl_FragColor = lightIntensity > 0.0? light: dark;
}

执行的结果例如以下：

这里须要开启深度測试，測试公式是lessOrEqual。代码例如以下：

DepthTest { func: DepthTest.LessOrEqual }

看来基本轮廓已经显示出来了，接下来要结合前段时间制作的卡通渲染效果。来一个结合。终于制作的ToonSilhouette着色器例如以下：

// ToonSilhouette.vert
#version 100

// Qt 3D默认提供的參数
attribute vec3 vertexPosition;
attribute vec3 vertexNormal;
uniform mat4 modelView;
uniform mat3 modelViewNormal;
uniform mat4 modelNormalMatrix;
uniform mat4 mvp;

// 自己提供的參数
uniform vec3 lightPosition;
varying float lightIntensity;

float getLightIntensity( )
{
    vec3 ecPos = vec3( modelView * vec4( vertexPosition, 1.0 ) );
    vec3 normal = modelViewNormal * vertexNormal;
    ecPos = normalize( ecPos );
    normal = normalize( normal );
    return dot( -ecPos, normal );
}

void main( void )
{
    const float bias = 0.1;
    vec3 silhouettePosition = vertexPosition + normalize( vertexNormal ) * bias;
    lightIntensity = getLightIntensity( );
    if ( lightIntensity > 0.0 ) gl_Position = mvp * vec4( vertexPosition, 1.0 );
    else gl_Position = mvp * vec4( silhouettePosition, 1.0 );
}

// ToonSilhouette.frag
#version 110

// 自己提供的參数
uniform sampler2D texPalette;
varying float lightIntensity;

void main( void )
{
    vec4 light = vec4( 0.9, 0.7, 0.5, 1.0 );
    vec4 dark = vec4( 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 );
    vec4 toon = texture2D( texPalette, vec2( lightIntensity, 1.0 ) );
    gl_FragColor = lightIntensity > 0.0? toon: dark;
}

演示程序的截图例如以下：

这样看起来饱满多了。

因为程序较长。我将全部代码放在了github中。有须要的同行朋友们能够从这个地址上clone执行之。