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OpenGL 学习记录 - 着色器

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OpenGL 学习记录 - 着色器

编写：王宇

2017-08-25

---------------------------------------------

着色器 - 运行在GPU上的小程序

从基本意义上来说，着色器只是一种把输入转化为输出的程序。着色器也是一种非常独立的程序，因为它们之间不能相互通信；它们之间唯一的沟通只有通过输入和输出。

GLSL - 包含一些针对向量和矩阵操作的有用特性。

#version version_number
in type in_variable_name;
in type in_variable_name;

out type out_variable_name;

uniform type uniform_name;

int main()
{
  // 处理输入并进行一些图形操作
  ...
  // 输出处理过的结果到输出变量
  out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}

数据类型
- GLSL中包含C等其它语言大部分的默认基础数据类型：int、float、double、uint和bool
- GLSL也有两种容器类型，分别是向量(Vector)和矩阵(Matrix)
向量
GLSL中的向量是一个可以包含有1、2、3或者4个分量的容器，分量的类型可以是前面默认基础类型的任意一个。它们可以是下面的形式（n代表分量的数量）：
- 一个向量的分量可以通过vec.x这种方式获取
- 重组：分量选择方式
```
vec2 someVec;
vec4 differentVec = someVec.xyxx;
vec3 anotherVec = differentVec.zyw;
vec4 otherVec = someVec.xxxx + anotherVec.yxzy;
```

类型含义

vecn	包含n个float分量的默认向量
bvecn	包含n个bool分量的向量
ivecn	包含n个int分量的向量
uvecn	包含n个unsigned int分量的向量
dvecn	包含n个double分量的向量

输入与输出
虽然着色器是各自独立的小程序，但是它们都是一个整体的一部分，出于这样的原因，我们希望每个着色器都有输入和输出，这样才能进行数据交流和传递。GLSL定义了in和out关键字专门来实现这个目的。每个着色器使用这两个关键字设定输入和输出，只要一个输出变量与下一个着色器阶段的输入匹配，它就会传递下去。但在顶点和片段着色器中会有点不同。
- 顶点着色器应该接收的是一种特殊形式的输入,它从顶点数据中直接接收输入
- location: 这一元数据指定输入变量，这样我们才可以在CPU上配置顶点属性。这一元数据指定输入变量，这样我们才可以在CPU上配置顶点属性。
- layout: 顶点着色器需要为它的输入提供一个额外的标识，这样我们才能把它链接到顶点数据
- 另一个例外是片段着色器，它需要一个vec4颜色输出变量，因为片段着色器需要生成一个最终输出的颜色。
- 顶点着色器
```
#version 330 core

layout (location = 0) in vec3 aPos; // 位置变量的属性位置值为0

out vec4 vertexColor; // 为片段着色器指定一个颜色输出

void main()
{
  gl_Position = vec4(aPos, 1.0); // 注意我们如何把一个vec3作为vec4的构造器的参数
  vertexColor = vec4(0.5, 0.0, 0.0, 1.0); // 把输出变量设置为暗红色
}
```
- 片段着色器
```
#version 330 core

out vec4 FragColor;

in vec4 vertexColor; // 从顶点着色器传来的输入变量（名称相同、类型相同）

void main()
{
  FragColor = vertexColor;
}
```
```
 
```

Uniform
Uniform是一种从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式

uniform和顶点属性有些不同:
uniform是全局的(Global)。全局意味着uniform变量必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。
无论你把uniform值设置成什么，uniform会一直保存它们的数据，直到它们被重置或更新。
例子

#version 330 core

out vec4 FragColor;

uniform vec4 ourColor; // 在OpenGL程序代码中设定这个变量

void main()
{
    FragColor = ourColor;
}

随时间变化赋值

float timeValue = glfwGetTime();
float greenValue = (sin(timeValue) / 2.0f) + 0.5f;
int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
glUseProgram(shaderProgram);
glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

使用uniform 渲染

while(!glfwWindowShouldClose(window))
{
    // 输入
    processInput(window);

    // 渲染
    // 清除颜色缓冲
    glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    // 记得激活着色器
    glUseProgram(shaderProgram);

    // 更新uniform颜色
    float timeValue = glfwGetTime();
    float greenValue = sin(timeValue) / 2.0f + 0.5f;
    int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
    glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

    // 绘制三角形
    glBindVertexArray(VAO);
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

    // 交换缓冲并查询IO事件
    glfwSwapBuffers(window);
    glfwPollEvents();
}

更多属性

将色彩加入到顶点数据中

float vertices[] = {
    // 位置              // 颜色
     0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f,   // 右下
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,   // 左下
     0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f    // 顶部
};

调整一下顶点着色器, 用layout标识符来把aColor属性的位置值设置为1

#version 330 core

layout (location = 0) in vec3 aPos;   // 位置变量的属性位置值为 0 
layout (location = 1) in vec3 aColor; // 颜色变量的属性位置值为 1

out vec3 ourColor; // 向片段着色器输出一个颜色

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
    ourColor = aColor; // 将ourColor设置为我们从顶点数据那里得到的输入颜色
}

修改一下片段着色器.不再使用uniform来传递片段的颜色了，现在使用ourColor输出变量

#version 330 core

out vec4 FragColor;  
in vec3 ourColor;

void main()
{
    FragColor = vec4(ourColor, 1.0);
}

VBO内存中的数据

使用glVertexAttribPointer函数更新顶点格式

// 位置属性
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// 颜色属性
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3* sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);

我们自己的着色器类

从硬盘读取着色器，然后编译并链接它们，并对它们进行错误检测

#ifndef SHADER_H


#define SHADER_H



#include <glad/glad.h>; // 包含glad来获取所有的必须OpenGL头文件



#include <string>


#include <fstream>


#include <sstream>


#include <iostream>

class Shader
{
public:
    // 程序ID
    unsigned int ID;

    // 构造器读取并构建着色器
    Shader(const GLchar* vertexPath, const GLchar* fragmentPath);
    // 使用/激活程序
    void use();
    // uniform工具函数
    void setBool(const std::string &name, bool value) const;  
    void setInt(const std::string &name, int value) const;   
    void setFloat(const std::string &name, float value) const;
};


#endif

use用来激活着色器程序，所有的set…函数能够查询一个unform的位置值并设置它的值。

从文件读取

使用C++文件流读取着色器内容，储存到几个string对象里使用C++文件流读取着色器内容，储存到几个string对象里

Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath)
{
// 1. 从文件路径中获取顶点/片段着色器
std::string vertexCode;
std::string fragmentCode;
std::ifstream vShaderFile;
std::ifstream fShaderFile;
// 保证ifstream对象可以抛出异常：
vShaderFile.exceptions (std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
fShaderFile.exceptions (std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
try 
{
    // 打开文件
    vShaderFile.open(vertexPath);
    fShaderFile.open(fragmentPath);
    std::stringstream vShaderStream, fShaderStream;
    // 读取文件的缓冲内容到数据流中
    vShaderStream << vShaderFile.rdbuf();
    fShaderStream << fShaderFile.rdbuf();       
    // 关闭文件处理器
    vShaderFile.close();
    fShaderFile.close();
    // 转换数据流到string
    vertexCode   = vShaderStream.str();
    fragmentCode = fShaderStream.str();     
}
catch(std::ifstream::failure e)
{
    std::cout << "ERROR::SHADER::FILE_NOT_SUCCESFULLY_READ" << std::endl;
}
const char* vShaderCode = vertexCode.c_str();
const char* fShaderCode = fragmentCode.c_str();
[...]

编译和链接着色器

// 2. 编译着色器
unsigned int vertex, fragment;
int success;
char infoLog[512];

// 顶点着色器
vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
glShaderSource(vertex, 1, &vShaderCode, NULL);
glCompileShader(vertex);
// 打印编译错误（如果有的话）
glGetShaderiv(vertex, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if(!success)
{
    glGetShaderInfoLog(vertex, 512, NULL, infoLog);
    std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
};

// 片段着色器也类似
[...]

// 着色器程序
this->Program = glCreateProgram();
glAttachShader(this->Program, vertex);
glAttachShader(this->Program, fragment);
glLinkProgram(this->Program);
// 打印连接错误（如果有的话）
glGetProgramiv(this->Program, GL_LINK_STATUS, &success);
if(!success)
{
    glGetProgramInfoLog(this->Program, 512, NULL, infoLog);
    std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
}

// 删除着色器，它们已经链接到我们的程序中了，已经不再需要了
glDeleteShader(vertex);
glDeleteShader(fragment);

use函数非常简单

void Use()
{
glUseProgram(this->Program);
}void Use() { glUseProgram(this->Program); }

uniform的setter函数也很类似

void setBool(const std::string &name, bool value) const
{         
glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), (int)value); 
}
void setInt(const std::string &name, int value) const
{ 
glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value); 
}
void setFloat(const std::string &name, float value) const
{ 
glUniform1f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value); 
}

使用这个着色器类很简单；只要创建一个着色器对象，从那一点开始我们就可以开始使用了：

Shader ourShader("path/to/shaders/shader.vs", "path/to/shaders/shader.fs");
...
while(...)
{
ourShader.use();
ourShader.setFloat("someUniform", 1.0f);
DrawStuff();
}