Arnold(C4DToA)阿诺德渲染教程(101) Open Shading Language (OSL) 开放的着色器语言

前言

开放的着色器编程语言 (OSL)是一个由 Sony Pictures Imageworks (索尼影业旗下的 Imageworks 公司)开发的着色器编程语言，OSL 的表面和体积着色器，定义了物体的表面和体积，如何使用重要性采样来发散光线，因此，OSL 语言很适合支持光线追踪和全局光照的物理渲染器，比如：Arnold 渲染器。这种语言同时也被 V-Ray 3 和 Blender 里面的 Cycles 渲染器（从 Blender 2.65 开始）支持。

在 Arnold5.0 中，OSL 着色器可以实现简单的纹理图案到闭包材质，非常牛逼。它是一种替代 C++的着色器方案，并拥有简单高效的编写方法。
PS：新版 Arnold 添加了 OSL 节点可以使用；

OSL 安装

只需要将 OSL 着色器(.OSL，.MTD)放置在 plugins/C4DtoA/shaders 目录下即可使用，重启 Arnold 会自动加载生成节点，和其他着色器一样使用；
如果有 UI 资源文件（.Res，.h，.STR），可放置在/plugins/C4DtoA/res 中；
还可以使用 ARNOLD_PLUGIN_PATH，来指定着色器搜索路径。
使用 Kick 命令可以检测着色器及其参数：

$ kick -info gamma
node:         gamma
type:         shader
output:       RGB
parameters:   3
filename:     gamma.oso
version:      4.2.12.0
Type          Name                              Default
------------  --------------------------------  --------------------------------
RGB           Cin                               0, 0, 0
FLOAT         exponent                          1
STRING        name

OSL 局限性

着色器名称必须唯一，否则不会加载，可以通过日志看到记录；
目前只支持一个输出参数，不支持多个输出。

OSL 工作流

OSL 着色器一般为.OSL 文件，每个文件对应一个阿诺德着色器节点(可以在节点编辑器中找到)，看例子：
Gamma.osl

shader gamma(   //与文件名一致
color Cin = color(0, 0, 0),
float exponent = 1,
output color Cout = color(0, 0, 0))
{
Cout = pow(Cin, 1/exponent);
}

着色器问见面 Gamma.osl，所以 shader 的名称需要与其一致；
着色器定义的输入输出参数很像 Arnold C++的着色器节点，但语法更紧凑；
这里 Cin 和 gamma 是输入参数，而 Cout 是输出参数，所有参数必须用默认初始化值。

OSL 编译

阿诺德会自动搜索到着色器并进行自动编译，编译后在.OSL 文件的同目录中，会多出一个.OSO 文件.
如果没有对应的.OSO 或.OSL 被修改，通常会进行自动编译。
你也可以使 Arnold 的 OSLC 程序手动编译。

$ oslc gamma.osl
Compiled gamma.osl -> gamma.oso

.OSO 文件包含了与操作系统和 CPU 指令无关的中间代码。
在渲染的时候，.OSL 会动态的将着色器节点转换为机器代码，并且最大化的优化着色器，从分利用着色器节点的参数。

手动加载 OSL 着色器

除了前面的可以自动搜素之外，还可以通过 OSL 节点手动加载着色器。
你可以将表达式插入到着色器节点中，让它加载别的着色器，从而进行更多的控制。
OSL 使用 shadername 参数来指定加载的着色器，不需要.osl 或.oso 后缀；
一旦用 shadername 参数，OSL 就会被添加到节点同，同时具有 param_ 前缀；

osl
{
 name myshader
 shadername somefolder/test  //加载着色器
 param_value 0.5
}

当然你也可以直接嵌入.OSL 代码

osl
{
 name myshader
 code "shader test(float value = 0, output float result = 0)//嵌入着色器
       {
          result = value * 10;
       }"
 param_value 0.5
}

支持特性

参数
通常情况下，OSL 的默认参数会被转换成相应的 Arnold 参数，因为 Arnold 只目前只支持一个输出参数，因此如果有多个输出参数，将以第一个为准。

布尔和枚举参数使用的是 OSL 元数据的整数创建的。

#define OPTION_A 0
#define OPTION_B 1
#define OPTION_C 2
 
shader example(
    int booleanvalue = 0 [[ string widget = "boolean" ]],
    int enumvalue = 0 [[ string widget = "popup", string options = "OptionA|OptionB|OptionC" ]])
{
    if (booleanvalue)
        ...
    if (enumvalue == OPTION_B)
        ...
}

属性
节点参数和用户数据可通过 getattribute()方法获得。

// 对象参数
int id;
getattribute("id", id);
 
// 对象用户数据
color Cs;
getattribute("Cs", Cs);
 
// 来自其他节点的参数
int AA_samples;
getattribute("options", "AA_samples", AA_samples);

标准参数
使用以下属性，如果 getattribute()函数指定 objectname 参数，就会检索特定于该对象的值。如果没有指定特定对象，则表示当前对象。

标准相机属性

使用以下属性，如果 getattribute()函数指定了 objectname 参数，并且它是有效摄像机的名称，则检索特定于该摄像机的值。如果没有指定特定的摄像机，则表示全局摄像机或默认摄像机。

着色器全局

Arnold 支持大多数 OSL 着色器全局格式，如 P, u, v, N, Ng 和 time。它们的含义与 c++ shading API 中的含义相同。
目前不支持 Ps(用于光滤镜)、surfacearea()、dtime 和 dPdtime 着色器全局。
所有着色器全局都被认为是只读的，我们不支持对 Ci 和 P 进行写操作以输出闭包或置换。应该使用输出参数。标准相机属性
使用以下属性，如果 getattribute()函数指定了 objectname 参数，并且它是有效摄像机的名称，则检索特定于该摄像机的值。
如果没有指定特定的摄像机，则表示全局摄像机或默认摄像机。

纹理

通过内置的 texture()和 gettextureinfo()函数访问纹理。函数的作用是:接受一个可选的 colorspace 参数来表示要转换的纹理的颜色空间。
注意，与 Arnold c++ shading API 不同的是，为了与 OSL 标准保持一致，纹理原点假设位于左上角而不是左下角。
为了匹配，在 UDIM 纹理的情况下，v 坐标可以翻转到 1 - v，或者 floor(v) + 1 - mod(v, 1)。

// 目标纹理颜色
color tex = texture(filename, u, v);
 
// 查询纹理分辨率
int resolution;
gettextureinfo(filename, "resolution", resolution);

体积通道
体积通道可以通过使用对象空间坐标的 texture3d()获得。

point Po = transform("object", P);
float density = texture3d("density", Po, "interp", "bicubic");

闭包
支持以下闭包，与c++ shader API中的闭包相匹配。

closure color emission();
closure color background();
closure color diffuse(normal N);
closure color oren_nayar (normal N, float sigma);
closure color translucent(normal N);
closure color microfacet(string distribution, normal N, vector U,
                         float xalpha, float yalpha, float eta, int refract);
closure color microfacet(string distribution, normal N,
                         float alpha, float eta, int refr);
closure color reflection(normal N, float eta);
closure color reflection(normal N);
closure color refraction(normal N, float eta);
closure color transparent();
closure color holdout();
closure color empirical_bssrdf(vector mfp, color albedo);
closure color volume_absorption();
closure color volume_emission();
closure color volume_henyey_greenstein(color absorption, color scattering,
                                       color emission, float g);

示例着色器输出一个闭包:

shader simple_diffuse(
    color albedo = 0.8,
    float opacity = 1.0,
    output closure color result = 0)
{
    result = opacity * albedo * diffuse(N) + (1 - opacity) * transparent();
}

跟踪

支持 OSL trace()函数，用于跟踪射线。不支持执行着色的阴影参数。
traceset 参数是受支持的，默认情况下使用一个包含的 traceset，如果 traceset 名称的前缀是- character eter，则为 exclusive。
有关命中的信息可以使用 getmessage()检索，支持命中、hitdist、P、N、u、v 以及对命中对象的任意用户数据和参数查找。

int hit = trace(origin, direction, "traceset", tracesetname);
 
if (hit)
{
    // query hit distance
    float hitdist;
    getmessage("trace", "hitdist", hitdist);
 
    // query parameter on object that was hit
    string name;
    getmessage("trace", "name", name);
 
    // query user data on position where object was hit
    color Cs;
    if (getmessage("trace", "Cs", Cs))
        ...;
}

光线类型
OSL raytype()函数返回 1，如果被着色的光线是给定类型的，返回 1，
返回 0，则射线不是这种类型，或者射线类型名称不被渲染程序识别。

OSL 性能

OSL 和 c++着色器可以链接到一个单一的着色器节点。
然而，在将 OSL 着色器的输出连接到 c++着色器时，会有少量的开销(可能是总渲染时间的 1- 2%)。
为了使 OSL 优化器能够进行积极的全节点优化，应该使用尽可能多的 OSL 着色器节点。
评估着色器发生在第一次编译和优化时。这增加了第一个像素的时间，但可以在减少渲染时间的整体上得到回报。

调试

OSL_OPTIONS 环境变量可以用来调试着色器中的常见错误或者打印更详细的信息:

# 查找超出边界访问的数组、NaN/Infs 和未初始化变量的使用的昂贵代码
OSL_OPTIONS="range_checking=1,debug_nan=1,debug_uninit=1"
 
#为每个已编译的着色器发出消息
OSL_OPTIONS="compile_report=1"
 
# 每个线程应该处理调用数量的警告
OSL_OPTIONS="max_warnings_per_thread=100"

更多参考信息
Open Shading Language 介绍
Open Shading Language 规范
本文译自 Arnold 官方文档：OSL Shaders

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