quixotic project blog

Shaderprogrammierung in GLSL, der Shadersprache unter OpenGL, war bisher ein Buch mit sieben Siegeln für mich. Aber da man ja alles lernen kann habe ich mich auf die Suche nach Tutorials gemacht und auch einige sehr gute entdeckt. Die Einführung von Lighthouse3d ist zum Beispiel sehr zu empfehlen. Hier wird wirklich mit den Grundlagen angefangen und erstmal eine Beschreibung geliefert wie die Pipeline der Grafikkarten aufgebaut sind und wo genau die verschiedenen Shader zum Einsatz kommen.

Natürlich muss man die geschriebenen (oder abgetippten) Shader auch irgendwie ausprobieren. Hier fand ich das Programm ShaderDesigner von Typhoon Labs ganz brauchbar. Leider scheint es die Firma nicht mehr zu geben, aber sowohl ShaderDesigner als auch ein ebenfalls super geschriebenes Tutorial für Shader lassen sich nach wie vor von der Seite runterladen.

Schließlich habe ich mich daran gemacht, die Shader auch in einem wirklichen Programm einzusetzen. Hierfür verwende ich die “Light Weight Java Games Library” (LWJGL), meinem Lieblingsbinding von OpenGL an Java. Es stellte sich heraus, dass wenn man mal einen funktionierenden Shader hat, diesen wirklich einfach in ein Programm einbinden kann. Wirklich geholfen hat mir der entsprechende Wikieintrag im LWJGL Wiki. Am besten speichert man Vertex- und Fragmentshader in einer Textdatei und legt sie irgendwo im Projektverzeichnis ab. Im Programm werden die Dateien dann mit ganz gewöhnlichen Hausmitteln erstmal geöffnet und in einem Bytearray gespeichert. Dies muss natürlich sowohl für Vertex- als auch für Fragmentshader passieren:

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ClassLoader loader = ShaderTest.class.getClassLoader();
InputStream is = loader.getResourceAsStream(shadername);
byte[] shadercode = null;
try {
    DataInputStream dis = new DataInputStream(is);
    dis.readFully(shadercode = new byte[is.available()]);
    dis.close();
    is.close();
} catch (IOException e) {
    System.out.println(e.getMessage());
}

Anschließend werden die Bytearrays in einen ByteBuffer kopiert, den LWJGL lieber mag:

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ByteBuffer shader = BufferUtils.createByteBuffer(shadercode.length);
shader.put(shadercode);
shader.flip();

Nicht vergessen die Buffer zu flippen!
Anschließend teilen wir OpenGL mit, dass wir zwei neue Shaderobjekte brauchen. Dies funktioniert genau wie wenn man eine Textur anlegt: Man teilt OpenGL mit, was man haben will und bekommt ein int zurück, mit dem man das neue Objekt referenzieren kann:

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int vertexShaderID = ARBShaderObjects.glCreateShaderObjectARB(
ARBVertexShader.GL_VERTEX_SHADER_ARB);
int pixelShaderID = ARBShaderObjects.glCreateShaderObjectARB(
ARBFragmentShader.GL_FRAGMENT_SHADER_ARB);

Nachdem die entsprechenden Objekte nun OpenGL bekannt gemacht wurden müssen wir OpenGL nun mitteilen was die Shader genau machen sollen, sprich deren Quellcode übergeben. Danach werden die Shader kompiliert:

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ARBShaderObjects.glShaderSourceARB(vertexShaderID, vertexShader);
ARBShaderObjects.glCompileShaderARB(vertexShaderID);
 
ARBShaderObjects.glShaderSourceARB(pixelShaderID, pixelShader);
ARBShaderObjects.glCompileShaderARB(pixelShaderID);

vertexShader und pixelShader sind die Variablen, die auf die ByteBuffer zeigen und den eingelesenen Quelltext enthalten.
Die beiden Shader werden nun zu einem Programm zusammengebunden. Ein Programm wird dabei ebenso wie ein Shaderobjekt erstellt: bei einem Methodenaufruf erhalten wir ein int mit dem wir das Programm in Zukunft referenzieren. Hat man nur einen Vertex- oder nur einen Fragmentshader zur Hand wird der jeweils andere Teil von OpenGL durch eine Standartimplementierung ersetzt. Zum Schluß werden die Teile ähnlich einem C Programm zusammengebunden.

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int shaderProgramID = ARBShaderObjects.glCreateProgramObjectARB();
ARBShaderObjects.glAttachObjectARB(shaderProgramID, vertexShaderID);
ARBShaderObjects.glAttachObjectARB(shaderProgramID, pixelShaderID);
ARBShaderObjects.glLinkProgramARB(shaderProgramID);

Jetzt sind wir fertig und können den Shader beim Rendern benutzen. Hierzu ruft man im Renderloop bevor das Objekt das den Shader erhalten soll gezeichnet wird die folgende Methode auf

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ARBShaderObjects.glUseProgramObjectARB(shaderProgramID);

Wird anstatt einem Shaderprogramm “0″ übergeben benutzt OpenGL die Standarteinstellungen (fixed Pipeline) zum Rendern.

Ein kleiner Test mit einem Toon-Shader aus dem Lighthouse Tutorial sieht dann zum Beispiel so aus:

Die Veränderung der Farbe des 3d Modells hängt nicht mit dem Licht zusammen sondern wird im Fragmentshader verursacht. Hierzu wird eine Variable vom Javaprogramm aus an den Shader übergeben, die die Zeit seit dem Beginn der Anwendung übergibt. Im Fragmentshader ist die Variable so definiert:

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uniform float TIME_SINCE_INIT;

Bei jedem Durchlauf des Renderloops wird diese Variable vom Javaprogramm neu geschrieben. Um den Schreibvorgang durchzuführen wird vorher die Location der Variable bestimmt. Dazu wird OpenGL der mit 0 terminierte Name der Variablen übergeben. Existiert diese, dann liefert OpenGL eine Location in Form eines Integers zurück und man kann mit einem glUniform1fARB-Aufruf den Wert übergeben.

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ByteBuffer buff = BufferUtils.createByteBuffer(
    "TIME_SINCE_INIT".length()+1);
buff.put( "TIME_SINCE_INIT".getBytes() );
buff.put((byte)0);
buff.flip();
int location = ARBShaderObjects.glGetUniformLocationARB(
    shaderProgramID, buff);
ARBShaderObjects.glUniform1fARB(location, gameLogicTimer.getTime());

Seit einiger Zeit nun versuche ich mich selbst daran ein kleines roguelike zu schreiben. Noch gibt es nicht viel zu sehen, deswegen keine Screenshots. Nebenbei lese ich auch die entsprechende Newsgroup rec.games.roguelike.development um einen Überblick zu erhalten und Links zu Tutorials und so weiter zu finden. Eine Seite fand ich dabei besonders gut: Ascii Dreams. Der Autor entwickelt, soweit ich das richtig mitbekommen habe, ein altes Roguelike (Angband) weiter und dokumentiert dabei die wichtigsten Schritte und was ihm wichtig ist. Erst kürzlich hat er eine Reihe von Artikeln über die Levelgenerierung veröffentlicht, die sehr interessant waren.

Ich habe den ersten Schritt hinter mir und mich für eine Darstellung entschieden. Klassischerweise würde man wohl farbige Konsolenausgabe für die Grafik wählen, doch da ich mich für Java als Programmiersprache entschlossen habe fällt das flach. Java kennt keine Farbe in der Konsole und dies durch Tricks zu umgehen war mir zu aufwendig. Die zweite Möglichkeit ist eine der vielen Curses Bibliotheken zu benutzen die es so gibt. Da die meisten aber für C++ sind und ich nur eine für Java gefunden habe (JCurses) und mit dieser auch nicht besonders gut zurechtgekommen bin habe ich auch dies wieder verworfen. Entschieden habe ich mich dann für Alternative drei: Mit Hilfe von OpenGL zeichne ich einfach Quads auf den Bildschirm die die Ascii-Zeichen als Textur haben und habe somit auch gleich die volle Kontrolle über die Auflösung, verschiedene Zeichensätze usw.
Zeichnen lasse ich dann alles über VertexArrays, wobei sich nur die Arrays für die Farbe und die Textur ändern, die Geometrie ist statisch. Gerendert wird in zwei Schritten: Zuerst wird der Hintergrund ohne Textur mit Hintergrundfarbe gerendert und danach kommt nochmal ein Durchgang mit angeschalteten Texturen. In Code:

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//render background
//fill color buffer
colorBuffer.position(0);
colorBuffer.put(colorArrayBackground);
colorBuffer.flip();
 
GL11.glDisable(GL11.GL_TEXTURE_2D);
GL11.glEnableClientState(GL11.GL_VERTEX_ARRAY);
GL11.glEnableClientState(GL11.GL_COLOR_ARRAY);
GL11.glVertexPointer(3, 0, vertexBuffer);
GL11.glColorPointer(3, 0, colorBuffer);
 
GL11.glDrawArrays(GL11.GL_TRIANGLES, 0, resX * resY * 6);
 
//render foreground
//fill colorbuffer
colorBuffer.position(0);
colorBuffer.put(colorArrayForeground);
colorBuffer.flip();
 
texCoordBuffer.position(0);
texCoordBuffer.put(texCoordArray);
texCoordBuffer.flip();
 
GL11.glEnable(GL11.GL_TEXTURE_2D);
GL11.glEnableClientState(GL11.GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
 
GL11.glTexCoordPointer(2, 0, texCoordBuffer);
 
GL11.glDrawArrays(GL11.GL_TRIANGLES, 0, resX * resY * 6);
 
GL11.glDisableClientState(GL11.GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
GL11.glDisableClientState(GL11.GL_VERTEX_ARRAY);
GL11.glDisableClientState(GL11.GL_COLOR_ARRAY);

Die Klasse die für das Rendern zuständig ist merkt sich die Farben und Texturen der einzelnen Tiles (also die Positionen an denen ein Buchstabe oder Zeichen stehen soll), sodass nicht in jedem Durchlauf alles erneut ausgelesen werden muss.

Sobald man mal mehr als nur ein paar Debugausgaben sehen kann werde ich auch einen Screenshot posten.