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씬 그래프 - 사용자 정의 머티리얼

Qt Quick 의 씬 그래프에서 사용자 정의 머티리얼을 구현하는 방법을 보여줍니다.

이 사용자 정의 머티리얼 예제는 사용자 정의 버텍스 및 프래그먼트 셰이더가 포함된 머티리얼을 사용하여 렌더링되는 아이템을 구현하는 방법을 보여줍니다.

프래그먼트 셰이더가 적용된 사용자 정의 QSGMaterial을 사용하여 렌더링된 만델브로트 프랙탈

셰이더와 머티리얼

주요 기능은 프래그먼트 셰이더에 있습니다.

// 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));
    }
}

프래그먼트 셰이더와 버텍스 셰이더는 QSGMaterialShader 의 서브클래스로 통합됩니다.

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;
};

QSGMaterial 의 서브클래스는 셰이더와 렌더링 상태를 함께 캡슐화합니다. 이 예제에서는 셰이더 유니폼에 해당하는 상태 정보를 추가합니다. 머티리얼은 QSGMaterial::createShader()을 재구현하여 셰이더를 생성하는 역할을 담당합니다.

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;
};

유니폼 데이터를 업데이트하기 위해 ` QSGMaterialShader::updateUniformData()`를 재구현합니다.

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;
}

아이템과 노드

새로운 머티리얼을 보여주기 위해 커스텀 아이템을 생성합니다:

#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;
};

CustomItem 선언은 QML에 노출하고자 하는 유니폼에 해당하는 세 가지 속성을 추가합니다.

    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)

모든 사용자 정의 Qt Quick 아이템과 마찬가지로, 구현은 두 부분으로 나뉩니다. GUI 스레드에서 실행되는 CustomItem 외에도, 렌더링 스레드에서 실행되는 QSGNode 서브클래스를 생성합니다.

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);
    }
};

노드는 머티리얼 인스턴스를 소유하며, 머티리얼의 상태를 업데이트하는 로직을 가지고 있습니다. 아이템은 해당 QML 속성을 관리합니다. 아이템과 머티리얼이 서로 다른 스레드에서 실행되므로, 아이템은 머티리얼의 정보를 복제해야 합니다.

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();
}

이 정보는 ` QQuickItem::updatePaintNode()` 메서드를 재구현하여 아이템에서 씬 그래프로 복사됩니다. 이 함수가 호출될 때 두 스레드는 동기화 지점에 있으므로, 두 클래스 모두에 안전하게 접근할 수 있습니다.

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;
}

예제의 나머지 부분

이 애플리케이션은 간단한 QML 애플리케이션으로, ` QGuiApplication `과 ` QQuickView `가 있으며, 이들에게 `.qml` 파일을 전달합니다.

QML 파일에서는 루트를 채우도록 앵커링된 customitem을 생성합니다.

    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
        }
    }

예제를 좀 더 흥미롭게 만들기 위해 줌 레벨과 반복 횟수 제한을 변경하는 애니메이션을 추가합니다. 중심은 변하지 않습니다.

예제 프로젝트 @ code.qt.io

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