Scene Graph - Benutzerdefiniertes Material

Zeigt, wie man ein benutzerdefiniertes Material in den Qt Quick Scene Graph implementiert.

Das Beispiel für ein benutzerdefiniertes Material zeigt, wie ein Element implementiert wird, das unter Verwendung eines Materials mit einem benutzerdefinierten Vertex- und Fragment-Shader gerendert wird.

Shader und Material

Die Hauptfunktionalität liegt im Fragment-Shader

// Copyright (C) 2023 The Qt Company Ltd.
// SPDX-License-Identifier: LicenseRef-Qt-Commercial OR BSD-3-Clause

#version 440

layout(location = 0) in vec2 vTexCoord;

layout(location = 0) out vec4 fragColor;

// uniform block: 84 bytes
layout(std140, binding = 0) uniform buf {
    mat4 qt_Matrix; // offset 0
    float qt_Opacity; // offset 64
    float zoom; // offset 68
    vec2 center; // offset 72
    int limit; // offset 80
} ubuf;

void main()
{
    vec4 color1 = vec4(1.0, 0.85, 0.55, 1);
    vec4 color2 = vec4(0.226, 0.0, 0.615, 1);

    float aspect_ratio = -ubuf.qt_Matrix[0][0]/ubuf.qt_Matrix[1][1];
    vec2 z, c;

    c.x = (vTexCoord.x - 0.5) / ubuf.zoom + ubuf.center.x;
    c.y = aspect_ratio * (vTexCoord.y - 0.5) / ubuf.zoom + ubuf.center.y;

    int iLast;
    z = c;
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        if (i >= ubuf.limit)
        {
            iLast = i;
            break;
        }
        float x = (z.x * z.x - z.y * z.y) + c.x;
        float y = (z.y * z.x + z.x * z.y) + c.y;

        if ((x * x + y * y) > 4.0)
        {
            iLast = i;
            break;
        }
        z.x = x;
        z.y = y;
    }

    if (iLast == ubuf.limit) {
        fragColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    } else {
        float f = (iLast * 1.0) / ubuf.limit;
        fragColor = mix(color1, color2, sqrt(f));
    }
}

Die Fragment- und Vertex-Shader sind in einer QSGMaterialShader Unterklasse zusammengefasst.

class CustomShader : public QSGMaterialShader
{
public:
    CustomShader()
    {
        setShaderFileName(VertexStage, QLatin1String(":/scenegraph/custommaterial/shaders/mandelbrot.vert.qsb"));
        setShaderFileName(FragmentStage, QLatin1String(":/scenegraph/custommaterial/shaders/mandelbrot.frag.qsb"));
    }
    bool updateUniformData(RenderState &state,
                           QSGMaterial *newMaterial, QSGMaterial *oldMaterial) override;
};

Eine QSGMaterial Unterklasse kapselt den Shader zusammen mit dem Renderstatus. In diesem Beispiel fügen wir Zustandsinformationen hinzu, die den Shader-Uniformen entsprechen. Das Material ist für die Erstellung des Shaders durch die Neuimplementierung von QSGMaterial::createShader() verantwortlich.

class CustomMaterial : public QSGMaterial
{
public:
    CustomMaterial();
    QSGMaterialType *type() const override;
    int compare(const QSGMaterial *other) const override;

    QSGMaterialShader *createShader(QSGRendererInterface::RenderMode) const override
    {
        return new CustomShader;
    }

    struct {
        float center[2];
        float zoom;
        int limit;
        bool dirty;
    } uniforms;
};

Um die Uniformdaten zu aktualisieren, reimplementieren wir QSGMaterialShader::updateUniformData().

bool CustomShader::updateUniformData(RenderState &state, QSGMaterial *newMaterial, QSGMaterial *oldMaterial)
{
    bool changed = false;
    QByteArray *buf = state.uniformData();
    Q_ASSERT(buf->size() >= 84);

    if (state.isMatrixDirty()) {
        const QMatrix4x4 m = state.combinedMatrix();
        memcpy(buf->data(), m.constData(), 64);
        changed = true;
    }

    if (state.isOpacityDirty()) {
        const float opacity = state.opacity();
        memcpy(buf->data() + 64, &opacity, 4);
        changed = true;
    }

    auto *customMaterial = static_cast<CustomMaterial *>(newMaterial);
    if (oldMaterial != newMaterial || customMaterial->uniforms.dirty) {
        memcpy(buf->data() + 68, &customMaterial->uniforms.zoom, 4);
        memcpy(buf->data() + 72, &customMaterial->uniforms.center, 8);
        memcpy(buf->data() + 80, &customMaterial->uniforms.limit, 4);
        customMaterial->uniforms.dirty = false;
        changed = true;
    }
    return changed;
}

Gegenstand und Knoten

Wir erstellen ein benutzerdefiniertes Element, um unser neues Material zu präsentieren:

#include <QQuickItem>

class CustomItem : public QQuickItem
{
    Q_OBJECT
    Q_PROPERTY(qreal zoom READ zoom WRITE setZoom NOTIFY zoomChanged)
    Q_PROPERTY(int iterationLimit READ iterationLimit WRITE setIterationLimit NOTIFY iterationLimitChanged)
    Q_PROPERTY(QPointF center READ center WRITE setCenter NOTIFY centerChanged)
    QML_ELEMENT

public:
    explicit CustomItem(QQuickItem *parent = nullptr);

    qreal zoom() const
    {
        return m_zoom;
    }

    int iterationLimit() const
    {
        return m_limit;
    }

    QPointF center() const
    {
        return m_center;
    }

public slots:
    void setZoom(qreal zoom);

    void setIterationLimit(int iterationLimit);

    void setCenter(QPointF center);

signals:
    void zoomChanged(qreal zoom);

    void iterationLimitChanged(int iterationLimit);

    void centerChanged(QPointF center);

protected:
    QSGNode *updatePaintNode(QSGNode *, UpdatePaintNodeData *) override;
    void geometryChange(const QRectF &newGeometry, const QRectF &oldGeometry) override;

private:
    bool m_geometryChanged = true;
    qreal m_zoom;
    bool m_zoomChanged = true;
    int m_limit;
    bool m_limitChanged = true;
    QPointF m_center;
    bool m_centerChanged = true;
};

Die CustomItem-Deklaration fügt drei Eigenschaften hinzu, die den Uniformen entsprechen, die wir QML zur Verfügung stellen wollen.

    Q_PROPERTY(qreal zoom READ zoom WRITE setZoom NOTIFY zoomChanged)
    Q_PROPERTY(int iterationLimit READ iterationLimit WRITE setIterationLimit NOTIFY iterationLimitChanged)
    Q_PROPERTY(QPointF center READ center WRITE setCenter NOTIFY centerChanged)

Wie bei jedem benutzerdefinierten Element Qt Quick ist die Implementierung zweigeteilt: Zusätzlich zu CustomItem, das im GUI-Thread läuft, erstellen wir eine Unterklasse QSGNode, die im Render-Thread läuft.

class CustomNode : public QSGGeometryNode
{
public:
    CustomNode()
    {
        auto *m = new CustomMaterial;
        setMaterial(m);
        setFlag(OwnsMaterial, true);

        QSGGeometry *g = new QSGGeometry(QSGGeometry::defaultAttributes_TexturedPoint2D(), 4);
        QSGGeometry::updateTexturedRectGeometry(g, QRect(), QRect());
        setGeometry(g);
        setFlag(OwnsGeometry, true);
    }

    void setRect(const QRectF &bounds)
    {
        QSGGeometry::updateTexturedRectGeometry(geometry(), bounds, QRectF(0, 0, 1, 1));
        markDirty(QSGNode::DirtyGeometry);
    }

    void setZoom(qreal zoom)
    {
        auto *m = static_cast<CustomMaterial *>(material());
        m->uniforms.zoom = zoom;
        m->uniforms.dirty = true;
        markDirty(DirtyMaterial);
    }

    void setLimit(int limit)
    {
        auto *m = static_cast<CustomMaterial *>(material());
        m->uniforms.limit = limit;
        m->uniforms.dirty = true;
        markDirty(DirtyMaterial);
    }

    void setCenter(const QPointF &center)
    {
        auto *m = static_cast<CustomMaterial *>(material());
        m->uniforms.center[0] = center.x();
        m->uniforms.center[1] = center.y();
        m->uniforms.dirty = true;
        markDirty(DirtyMaterial);
    }
};

Der Knoten besitzt eine Instanz des Materials und verfügt über eine Logik zur Aktualisierung des Materialzustands. Das Element verwaltet die entsprechenden QML-Eigenschaften. Es muss die Informationen aus dem Material duplizieren, da das Element und das Material in verschiedenen Threads leben.

void CustomItem::setZoom(qreal zoom)
{
    if (qFuzzyCompare(m_zoom, zoom))
        return;

    m_zoom = zoom;
    m_zoomChanged = true;
    emit zoomChanged(m_zoom);
    update();
}

void CustomItem::setIterationLimit(int limit)
{
    if (m_limit == limit)
        return;

    m_limit = limit;
    m_limitChanged = true;
    emit iterationLimitChanged(m_limit);
    update();
}

void CustomItem::setCenter(QPointF center)
{
    if (m_center == center)
        return;

    m_center = center;
    m_centerChanged = true;
    emit centerChanged(m_center);
    update();
}

Die Informationen werden in einer Neuimplementierung von QQuickItem::updatePaintNode() vom Element in den Szenengraphen kopiert. Die beiden Threads befinden sich an einem Synchronisationspunkt, wenn die Funktion aufgerufen wird, so dass der Zugriff auf beide Klassen sicher ist.

QSGNode *CustomItem::updatePaintNode(QSGNode *old, UpdatePaintNodeData *)
{
    auto *node = static_cast<CustomNode *>(old);

    if (!node)
        node = new CustomNode;

    if (m_geometryChanged)
        node->setRect(boundingRect());
    m_geometryChanged = false;

    if (m_zoomChanged)
        node->setZoom(m_zoom);
    m_zoomChanged = false;

    if (m_limitChanged)
        node->setLimit(m_limit);
    m_limitChanged = false;

    if (m_centerChanged)
        node->setCenter(m_center);
    m_centerChanged = false;

    return node;
}

Der Rest des Beispiels

Die Anwendung ist eine einfache QML-Anwendung, mit einer QGuiApplication und einer QQuickView, der wir eine .qml-Datei übergeben.

In der QML-Datei erstellen wir das Customitem, das wir verankern, um die Root zu füllen.

    CustomItem {
        property real t: 1
        anchors.fill: parent
        center: Qt.point(-0.748, 0.1);
        iterationLimit: 3 * (zoom + 30)
        zoom: t * t / 10
        NumberAnimation on t {
            from: 1
            to: 60
            duration: 30*1000;
            running: true
            loops: Animation.Infinite
        }
    }

Um das Beispiel etwas interessanter zu gestalten, fügen wir eine Animation hinzu, um die Zoomstufe und die Iterationsgrenze zu ändern. Das Zentrum bleibt konstant.

Beispielprojekt @ code.qt.io

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