title: Материалы

brief: Данное руководство объясняет как работать с материалами, шейдерными константами и сэмплерами.

Материалы

Материалы используются для выражения того, как графический компонент (спрайт, тайловая карта, шрифт, GUI-нода, модель и т.д.) должны быть отрендерены.

Метариал содержит теги, информацию, которая применяется конвейером рендеринга для отбора объектов для рендера. Также он содержит ссылку на шейдерные программы, которые компилируются через доступные графические драйверы и загружаются на графическое аппаратное обеспечение и запускаются в каждом кадре, когда компонент рендерится.

Для большей информации по конвейеру рендеринга, смотрите Документацию по рендеру.
Для глубого погружения в шейдерные программы, смотрите Документацию по шейдерам.

Создание материала

Чтобы создать материал, кликните правой кнопкой мыши по нужной папке в обозревателе Assets и выберите New... ▸ Material. (Вы также можете выбрать File ▸ New... в меню, а затем выбрать Material). Укажите имя нового файла материала и нажмите Ok.

Новый материал откроется в Material Editor.

Файл материала содержит следующую информацию:

Name : Уникальное имя материала. Оно используется для включения материала в сборку через ресурс Render и также используется в функции API рендеринга render.enable_material(). Имя должно быть уникальным.

Vertex Program : Файл программы вершинного шейдера (.vp), используемый при рендеринге с этим материалом. Программа выполняется на GPU для каждой вершины примитива компонента. Она вычисляет положение вершины на экране и может также передавать "изменяемые" переменные, которые интерполируются и подаются на вход фрагментной программе.

Fragment Program : Файл программы фрагментного шейдера (.fp), используемый при рендеринге с этим материалом. Программа запускается на GPU для каждого фрагмента (пикселя) примитива и определяет цвет этого фрагмента. Обычно это достигается путем выборки из текстуры и вычислений на основе входящих данных (переменные или константы).

Vertex Constants : Константы (uniform), передаваемые в вершинную программу шейдера. См. ниже список доступных констант.

Fragment Constants : Константы (uniform), передаваемые в фрагментную программу шейдера. См. ниже список доступных констант.

Samplers : При необходимости вы можете настроить конкретные сэмплеры в файле материала. Добавьте сэмплер, укажите имя, соответствующее использованному в шейдере, и задайте параметры обертки и фильтрации по своему усмотрению.

Tags : Теги, ассоциированные с материалом. В движке они представлены в виде битовой маски, используемой в render.predicate() для выбора компонентов, которые нужно отрисовать вместе. Подробнее см. Документацию по рендеру. Максимальное количество тегов в проекте — 32.

Атрибуты

Атрибуты шейдера (также называемые потоками вершин или вершинными атрибутами) — это механизм, с помощью которого GPU получает вершины из памяти для рендеринга геометрии. Вершинный шейдер задает набор потоков через ключевое слово attribute, и в большинстве случаев Defold автоматически создает и привязывает эти данные на основе имени потока. Однако в некоторых случаях вы можете захотеть передавать больше данных на вершину для реализации специфических эффектов, которые движок по умолчанию не предоставляет. Атрибут вершины можно настроить с помощью следующих полей:

Name : Имя атрибута. Аналогично шейдерным константам, конфигурация атрибута будет использоваться только в случае совпадения с атрибутом, указанным в программе вершинного шейдера.

Semantic type : Семантический тип указывает смысл того, что представляет атрибут и/или как он должен отображаться в редакторе. Например, указание SEMANTIC_TYPE_COLOR отобразит виджет выбора цвета, хотя данные по-прежнему передаются как есть из движка в шейдер.

SEMANTIC_TYPE_NONE — значение по умолчанию, просто передает данные в буфер вершин
SEMANTIC_TYPE_POSITION — координаты вершины; можно использовать вместе с пространством координат
SEMANTIC_TYPE_TEXCOORD — текстурные координаты
SEMANTIC_TYPE_PAGE_INDEX — индекс страницы
SEMANTIC_TYPE_COLOR — вызывает отображение цветового виджета в инспекторе
SEMANTIC_TYPE_NORMAL — нормаль вершины
SEMANTIC_TYPE_TANGENT — касательная вершины
SEMANTIC_TYPE_WORLD_MATRIX — мировая матрица вершины
SEMANTIC_TYPE_NORMAL_MATRIX — матрица нормалей вершины

Data type : Тип данных, используемый для хранения атрибута.

TYPE_BYTE — знаковый 8-битный байт
TYPE_UNSIGNED_BYTE — беззнаковый 8-битный байт
TYPE_SHORT — знаковое 16-битное значение
TYPE_UNSIGNED_SHORT — беззнаковое 16-битное значение
TYPE_INT — знаковое целое число
TYPE_UNSIGNED_INT — беззнаковое целое число
TYPE_FLOAT — число с плавающей точкой (по умолчанию)

Normalize : Если включено, драйвер GPU нормализует значение. Это полезно, если не требуется полная точность — например, цвет часто задается байтами 0..255, но в шейдере работает как 0..1.

Coordinate space : Некоторые семантические типы поддерживают задание координат в разных пространствах. Например, для реализации "билбординга" можно использовать как локальные, так и мировые координаты.

Vector type : Тип векторного значения атрибута.

VECTOR_TYPE_SCALAR — скаляр
VECTOR_TYPE_VEC2 — вектор из 2 элементов
VECTOR_TYPE_VEC3 — вектор из 3 элементов
VECTOR_TYPE_VEC4 — вектор из 4 элементов (по умолчанию)
VECTOR_TYPE_MAT2 — матрица 2x2
VECTOR_TYPE_MAT3 — матрица 3x3
VECTOR_TYPE_MAT4 — матрица 4x4

Step function : Указывает, как атрибут должен передаваться в вершинный шейдер. Используется в основном для инстансинга.

Vertex — один раз на вершину (по умолчанию)
Instance — один раз на экземпляр, например для мировых матриц

Value : Значение атрибута. Может быть переопределено для каждого компонента, в противном случае используется значение по умолчанию. Внимание: для атрибутов по умолчанию (position, texcoord и др.) это значение игнорируется.

::: sidenote Переопределение конфигурации атрибутов позволяет уменьшить объем данных и снизить нагрузку на память CPU и GPU. :::

Семантика атрибутов по умолчанию

Система материалов автоматически присваивает семантику атрибутам по их именам во время исполнения:

position - semantic type: SEMANTIC_TYPE_POSITION
texcoord0 - semantic type: SEMANTIC_TYPE_TEXCOORD
texcoord1 - semantic type: SEMANTIC_TYPE_TEXCOORD
page_index - semantic type: SEMANTIC_TYPE_PAGE_INDEX
color - semantic type: SEMANTIC_TYPE_COLOR
normal - semantic type: SEMANTIC_TYPE_NORMAL
tangent - semantic type: SEMANTIC_TYPE_TANGENT
mtx_world - semantic type: SEMANTIC_TYPE_WORLD_MATRIX
mtx_normal - semantic type: SEMANTIC_TYPE_NORMAL_MATRIX

Если вы указываете эти атрибуты в редакторе материалов, их поведение будет определяться вашей конфигурацией.

Задание пользовательских атрибутов во время исполнения

Как и в случае с пользовательскими шейдерными константами, вы можете изменять значения вершинных атрибутов во время исполнения через go.get, go.set и go.animate:

go.set("#sprite", "tint", vmath.vector4(1,0,0,1))

go.animate("#sprite", "tint", go.PLAYBACK_LOOP_PINGPONG, vmath.vector4(1,0,0,1), go.EASING_LINEAR, 2)

Однако при обновлении вершинных атрибутов есть особенности: возможность использовать новое значение зависит от семантики атрибута. Например, компонент спрайта поддерживает SEMANTIC_TYPE_POSITION, и если вы попытаетесь переопределить атрибут с этой семантикой, то компонент проигнорирует новое значение, поскольку семантика требует, чтобы данные всегда исходили от позиции спрайта.

::: sidenote Изменение пользовательских вершинных атрибутов во время исполнения в настоящее время поддерживается только для компонентов типа спрайт. :::

Инстансинг

Инстансинг — это техника, используемая для эффективной отрисовки множества копий одного и того же объекта на сцене. Вместо создания отдельной копии объекта каждый раз, инстансинг позволяет движку использовать одну модель и переиспользовать её многократно. Например, в игре с большим лесом вместо того, чтобы создавать отдельную модель дерева для каждого дерева, можно создать одну модель и размещать её сотни или тысячи раз с разными позициями и масштабом. Таким образом, весь лес может быть отрисован одним вызовом отрисовки, а не отдельными вызовами для каждого дерева.

::: sidenote Инстансинг на данный момент доступен только для компонентов типа Model. :::

Инстансинг включается автоматически, если соблюдены необходимые условия. Defold активно использует пакетирование состояния отрисовки — чтобы инстансинг работал, необходимо соблюдение следующих требований:

Один и тот же материал используется во всех экземплярах. Инстансинг работает даже если материал был задан через render.enable_material()
Материал должен быть сконфигурирован для использования вершин в локальном пространстве
В материале должен быть хотя бы один атрибут, повторяющийся на каждый экземпляр
Значения констант должны быть одинаковыми у всех экземпляров. Их можно передавать через пользовательские вершинные атрибуты или иными способами (например, через текстуру)
Все экземпляры должны использовать одни и те же ресурсы шейдера, такие как текстуры или буферы хранения

Чтобы указать, что атрибут должен повторяться на каждый экземпляр, установите для него Step function = Instance. Это делается автоматически для некоторых семантик по имени (см. таблицу Семантика атрибутов по умолчанию), но также может быть установлено вручную в редакторе материалов.

Простой пример: сцена с четырьмя игровыми объектами, у каждого из которых есть компонент-модель:

Материал настроен с одним пользовательским атрибутом, повторяющимся на каждый экземпляр:

Вершинный шейдер использует несколько атрибутов, повторяющихся на каждый экземпляр:

// Атрибуты на вершину
attribute highp vec4 position;
attribute mediump vec2 texcoord0;
attribute mediump vec3 normal;

// Атрибуты на экземпляр
attribute mediump mat4 mtx_world;
attribute mediump mat4 mtx_normal;
attribute mediump vec4 instance_color;

Обратите внимание, что mtx_world и mtx_normal по умолчанию будут использовать Step function = Instance. Это можно изменить в редакторе материалов, добавив соответствующие записи и установив Step function = Vertex, чтобы атрибут повторялся на вершину.

Чтобы убедиться, что инстансинг работает, можно воспользоваться веб-профайлером. В приведённом примере, так как единственное различие между экземплярами куба — это атрибуты на экземпляр, отрисовка осуществляется одним вызовом:

Обратная совместимость

Для использования инстансинга на графических адаптерах с OpenGL требуется как минимум OpenGL 3.1 (на десктопе) или OpenGL ES 3.0 (на мобильных устройствах). Это означает, что на очень старых устройствах с OpenGL ES2 или более старыми версиями инстансинг может быть недоступен. В таком случае отрисовка всё равно будет работать по умолчанию, без дополнительных действий со стороны разработчика, но производительность будет ниже. В настоящее время нет способа определить, поддерживается ли инстансинг, но в будущем планируется добавить такую возможность — чтобы можно было, например, использовать более дешёвый материал или полностью отключить элементы вроде листвы, которые обычно отрисовываются с использованием инстансинга.

Вершинные и фрагментные константы

Шейдерные константы или "uniform"-ы --- это значения, которые передаются из движка в вершинные или фрагментные программы шейдеров. Для использования константы вы задаете ее в файле материала либо через свойство Vertex Constant либо через свойство Fragment Constant. Соответствующие uniform переменные должны быть определены в программе шейдера. Следующие константы могут быть установлены в материале:

CONSTANT_TYPE_WORLD : Мировая матрица. Используйте ее для преобразования вершин в пространство мира. Для некоторых типов компонентов, вершины уже расположены в пространстве мира, когда они отправляются вершинной программе (в виду пакетирования). В таких случаях, умножение на мировую матрицу в шейдере выдаст некорректные результаты.

CONSTANT_TYPE_VIEW : Матрица вида. Используйте ее для преобразования вершин в пространство отображения (камеры).

CONSTANT_TYPE_PROJECTION : Проекционная матрица. Используйте ее для преобразования вершин в пространство экрана.

CONSTANT_TYPE_VIEWPROJ : Матрица с уже перемноженными матрицей вида и проекционной матрицы.

CONSTANT_TYPE_WORLDVIEW : Матрица с уже перемноженными матрицей мира и предыдущей матрицы (перемножение матрицы вида на проекционную).

CONSTANT_TYPE_WORLDVIEWPROJ : Матрица с уже перемноженными матрицами мира, вида и проекционной.

CONSTANT_TYPE_NORMAL : Матрица для вычисления ориентации по нормали. Мировое преобразование может включать не-нормированное (non-uniform) масштабирование, которое ломает ортогональность скомбинированного мир-на-отображение преобразования. Матрица нормалей используется, чтобы избежать проблем с направлениями когда преобразовываются нормали. (Нормальная матрица --- это транспонированная инверсия матрицы мир-на-отображение.)

CONSTANT_TYPE_USER : Константа типа vector4, которую вы можете использовать для любых собственных данных, которые вы хотите передать в программу шейдера. Вы можете установить начальное значение константы в месте ее определения, но она изменяема через функции go.set() / go.animate(). Также вы можете получить ее значение через go.get(). Изменение константы материала одного экземпляра компонента ломает пакетирование для рендеринга и приведет к дополнительным вызовам отрисовки.

Пример:

go.set("#sprite", "tint", vmath.vector4(1,0,0,1))

go.animate("#sprite", "tint", go.PLAYBACK_LOOP_PINGPONG, vmath.vector4(1,0,0,1), go.EASING_LINEAR, 2)

CONSTANT_TYPE_USER_MATRIX4 : Константа типа matrix4, которую можно использовать для передачи любых пользовательских данных в программу шейдера. Вы можете задать начальное значение при определении, но она доступна для изменения через функции go.set() / go.animate(), а также получить текущее значение через go.get(). Изменение значения константы у отдельного экземпляра компонента ломает пакетирование и приводит к дополнительным вызовам отрисовки.

Пример:

go.set("#sprite", "m", vmath.matrix4())

::: sidenote Чтобы константа CONSTANT_TYPE_USER или CONSTANT_TYPE_MATRIX4 была доступна через go.get() и go.set(), она должна использоваться в шейдере. Если она определена в материале, но не используется, она будет удалена и станет недоступной в рантайме. :::

Сэмплеры

Сэмплеры используются для отбора цветовой информации из текстуры (тайловый источник или атлас). Цветовая информация может далее быть использована для вычислений в программе шейдера.

Компоненты типа спрайт, тайловая карта, GUI или эффект частиц автоматически получают набор sampler2D. Первый объявленный sampler2D в программе шейдера автоматически привязывается к изображению, на которое ссылается графический компонент. Поэтому сейчас нет необходимости указывать какие-либо сэмплеры в файле материалов для этих компонентов. Более того, эти типы компонентов сейчас поддерживают только одну текстуру. (Если вам нужно множество текстур в шейдере, вы можете использовать вызов render.enable_texture() и устанавливать текстурные сэмплеры вручную из своего рендер скрипта.)

-- mysprite.fp
varying mediump vec2 var_texcoord0;
uniform lowp sampler2D MY_SAMPLER;
void main()
{
    gl_FragColor = texture2D(MY_SAMPLER, var_texcoord0.xy);
}

Вы можете задать настройки сэмплера для компонента добавив сэмплер по имени в файле материалов. Если вы не устанавливаете свой сэмплер в файле материалов, будут использованы глобальные настройки graphics проекта.

Для компонентов типа модель, вам необходимо задать ваши сэмплеры в файле материала с теми настройками, которые вы хотите. Далее после этих действий редактор позволит вам выставить текстуры для любого модельного компонента, который использует этот материал:

-- mymodel.fp
varying mediump vec2 var_texcoord0;
uniform lowp sampler2D TEXTURE_1;
uniform lowp sampler2D TEXTURE_2;
void main()
{
    lowp vec4 color1 = texture2D(TEXTURE_1, var_texcoord0.xy);
    lowp vec4 color2 = texture2D(TEXTURE_2, var_texcoord0.xy);
    gl_FragColor = color1 * color2;
}

Настройки сэмплера

Name : Имя сэмплера. Это имя должно совпадать с заданной в фрагментном шейдере sampler2D переменной.

Wrap U/W : Режим развертки для осей U и V:

WRAP_MODE_REPEAT -- повторит данные текстуры вне диапазона [0,1].
WRAP_MODE_MIRRORED_REPEAT -- повторит данные текстуры вне диапазона [0,1], но каждое второе повторение будет зеркально отражено.
WRAP_MODE_CLAMP_TO_EDGE --- будет приводить данные текстуры со значениями больше 1.0 к значению 1.0, а любые значения меньше 0.0 будут приводиться к значению 0.0 --- то есть крайние пиксели будут повторяться до края.

Filter Min/Mag : Фильтрация для увеличения и уменьшения. Ближайшая фильтрация требует меньше вычислений, чем линейная интерполяция, но может привести к артефактам алиасинга. Линейная интерполяция часто дает более плавные результаты :

Default — использует параметр фильтрации по умолчанию, указанный в файле game.project в секции Graphics, как Default Texture Min Filter и Default Texture Mag Filter.
FILTER_MODE_NEAREST -- использует тексель с координатами ближайшими к центру пикселя.
FILTER_MODE_LINEAR -- устанавливает взвешенное линейное среднее для массива текселей 2x2, которые лежат ближе всего к центру пикселя .
FILTER_MODE_NEAREST_MIPMAP_NEAREST -- выбирает ближайшее значение текселя в отдельной MIP-карте.
FILTER_MODE_NEAREST_MIPMAP_LINEAR -- выбирает ближайший тексель из двух ближайших лучших вариантов MIP-карт и затем линейно интерполирует между этими двумя значениями.
FILTER_MODE_LINEAR_MIPMAP_NEAREST -- линейное интерполирование в пределах отдельной MIP-карты.
FILTER_MODE_LINEAR_MIPMAP_LINEAR -- использует линейную интерполяцию для вычисления значения на каждой из двух карт, а затем выполняет линейную интерполяцию между этими двумя значениями.

Max Anisotropy : Анизотропная фильтрация — это продвинутая техника фильтрации, при которой берется несколько выборок и их результаты смешиваются. Этот параметр управляет уровнем анизотропии для сэмплеров текстур. Если анизотропная фильтрация не поддерживается GPU, параметр не будет иметь эффекта и по умолчанию будет установлен в значение 1.

Буферы констант

Когда конвейер рендеринга отрисовывает, он берет значения констант из буфера по-умолчанию --- системного буфера констант. Вы можете создать собственный буфер констант, чтобы перекрыть константы по-умолчанию и вместо этого выставить uniform-ы для программы шейдера программно в рендер скрипте:

self.constants = render.constant_buffer() -- <1>
self.constants.tint = vmath.vector4(1, 0, 0, 1) -- <2>
...
render.draw(self.my_pred, self.constants) -- <3>

Создаем новый буфер констант
Устанавливаем константу tint в ярко-красный
Рисуем предикат используя наши собственные константы

Учтите, что элементы констант буфера ссылаются как обычная Lua таблица, но вы не можете итерироваться по буферу с помощью вызовов pairs() или ipairs().

material.md 32 KB Permalink History Raw