认识材质

材质（Material）定义了物体的表面外观，包括它的颜色、光影、纹理等。渲染引擎通过读取材质属性，计算光线与物体的交互，最终生成逼真的图像，比如各种不同颜色的表面、映射出周围环境的镜面材质、凹凸不平的砖砌材质、带有小凹点的木板材质或者带有铁锈的金属材质。

在这里，我们将讨论以下话题：

定义材质：了解在Illustrator Core中如何定义材质
着色器：您可以深层次了解着色器程序如何利用您定义的材质属性
Uniform参数：通过Uniform变量将材质属性传递到着色器
状态绑定：绘制材质时可以绑定状态参数，这些参数会影响OpenGL的图元处理流程，从而影响最终渲染结果

下面我们从一个简单例子，了解在Illustrator core中是如何定义材质的。

定义材质

材质包含了三大部分参数：

programs: 着色器程序，定义了如何将3D模型转换为屏幕上的像素分布。我们会用到两种着色器：顶点着色器和面元着色器。
parameters：着色器中需要的统一的材质属性，比如材质颜色、材质透明度等。
states：状态参数，比如深度测试、混合测试、纹理贴图等，这些内容会在后面的章节中陆续为您介绍。

下面给出具体的例子，帮助您理解它的参数是如何定义的。

    // 定义了顶点着色器程序
    std::string vertexSource = R"(
        #version 330 core
        // 读入物体的几何顶点信息，在顶点着色器中将顶点坐标转换到裁剪空间
        in vec3 positions;
        uniform mat4 modelViewProjectionMatrix;

        void main()
        {
        	gl_Position = modelViewProjectionMatrix * vec4(positions, 1.0);
        }
    )";
    // 定义了面元着色器程序
    std::string fragmentSource = R"(
        #version 330 core

        out vec4 fragColor;
        // 着色器对面元进行着色时，需要使用到材质的基础颜色“color”
        uniform vec3 color;

        void main()
        {
        	fragColor = vec4(color, 1.0);
          // 您也可以直接在函数中定义材质的颜色
          // fragColor = vec4(0.4, 0.6, 0.2, 1.0);
        }
    )";
    ...

    // 定义一个材质
    auto material = _material(
        _program(
            // 指定了该材质的顶点着色器和面元着色器
            vertexSource, fragmentSource
        ),
        _parameters({
            // Uniform变量，指定了该材质的颜色
            {"color", _clr3(0.4, 0.6, 0.2)}
        }),
        _states({
            // 打开了深度测试
            _depth(true)}            
        )        
    );

着色器

OpenGL中提供了多种与渲染相关的着色器，它们本质上是把输入转换为输出的独立程序，使用着色器语言(glsl)可以编写着色器。多个着色器之间彼此独立，唯一的沟通是它们的输入与输出。

我们在材质渲染中会使用到其中两种着色器：顶点着色器(vertex shader)和面元着色器(fragment shader)，在上面的例子中，我们已经看到了非常基础的着色器的源代码。

下面是一个典型的着色器结构：

    #version version_number
    in type in_variable_name;
    in type in_variable_name;

    out type out_variable_name;

    uniform type uniform_name;

    int main()
    {
      // 处理输入并进行一些图形操作
      ...
      // 输出处理过的结果到输出变量
      out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
    }

在顶点着色器中，声明了计算所需的输入顶点属性，比如positions，noramls，texture coords，有些情况下甚至还有colors。顶点着色器会输出预定义变量gl_Position，也可以声明其他输出变量，比如v_Normal, v_TexCoord等。在顶点着色器中，我们会编写main运算函数，完成顶点属性从3D空间坐标到屏幕坐标的变换。

着色器之间可以传递同名的输入输出变量。在后续的面元着色器中，必须声明一个颜色输出变量，因此片段着色器所做的是计算像素最后的颜色输出。

Uniform参数

我们既可以直接在着色器程序中对变量赋值，也可以通过我们的应用程序从CPU上传递到GPU上，后者一般是通过声明一个uniform类型的参数来实现。uniform是全局的，意味着uniform参数必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。在下面的例子中，我们使用接口_parameters为material定义了一个uniform参数color。

    auto material = _material(
        _program(
            // 指定了该材质的顶点着色器和面元着色器
            vertexSource, fragmentSource
        ),
        _parameters({
            // Uniform变量，指定了该材质的颜色
            {"color", _clr3(0.4, 0.6, 0.2)}
        }),
        _states({
            // 打开了深度测试
            _depth(true)}            
        )        
    );

状态参数

在材质中，还可以绑定一系列状态变量，用来设置状态的开启或禁用和状态使用方式，从而控制OpenGL去执行一些我们想要的操作。下面是各种状态的简单介绍。

混合

混合(Blending)是实现物体透明度的一种技术。透明的物体，它的颜色是其本身颜色和它背后其他物体颜色的不同强度结合。

深度测试

当深度测试(Depth Testing)被启用的时候，OpenGL会将一个片段的深度值与深度缓冲的内容进行对比，如果这个测试通过了的话，深度缓冲将会更新为新的深度值。如果深度测试失败了，片段将会被丢弃。

模板测试

模板测试是根据模板缓冲来进行的，我们可以在渲染的时候更新它来获得一些很有意思的效果。当片段着色器处理完一个片段之后，模板测试(Stencil Test)会开始执行，和深度测试一样，它会根据场景中已绘制的其它物体的片段，来决定是否丢弃特定的片段。

纹理贴图

纹理贴图看作是一个2D图片（在某些特殊场景中，也可以是1D或者3D的），2D图片中包含的像素值，既可以是某种真实材质的颜色，也可以是其他表面特性，比如光照反射率、凹凸系数，从而为模型增加丰富的表面细节，使其看起来更加逼真。

面剔除

面剔除是将我们观察不到的片段在进入着色器之前就丢弃掉，这样可以节省很大一部分资源调用。我们需要告诉OpenGL哪些是正向面，哪些是背向面，我们可以通过顶点数据的环绕顺序来判断正背面。

polygon offset

在3D渲染中会遇到深度冲突的问题，从而导致某些片段的可见性之间互相打架，忽隐忽现。采用polygon offsetting技术，稍微调整片段的深度值，从而在它们之间创造出微小的间隙，这样就可以保证它们在深度缓冲（depth buffer）中可以被区别开来。

认识材质

定义材质​

着色器​

Uniform参数​

状态参数​

混合​

深度测试​

模板测试​

纹理贴图​

面剔除​

polygon offset​