shader and Program编程基本概念 - 转

原地址:http://blog.csdn.net/myarrow/article/details/7737313
http://www.cnblogs.com/sanjin/p/3580331.html

一、本文关注的问题：

• Shader and program 对象介绍
• 创建并编译一个Shader对象
• 创建并链接一个Program对象
• 获取并设置uniforms
• 获取并设置attributes

      在OpenGL ES中，每个program对象有且仅有一个Vertex Shader对象和一个Fragment Shader对象连接到它。

      Shader：类似于C编译器

      Program：类似于C链接器

      glLinkProgram操作产生最后的可执行程序，它包含最后可以在硬件上执行的硬件指令。

二、Shader和Program编程概述

1. 创建Shader
      1）编写Vertex Shader和Fragment Shader源码。

      2）创建两个shader 实例：GLuint   glCreateShader(GLenum type);

      3）给Shader实例指定源码。 glShaderSource

      4）在线编译shaer源码 void   glCompileShader(GLuint shader)

2. 创建Program

      1）创建program  GLuint   glCreateProgram(void)

      2）绑定shader到program 。 void   glAttachShader(GLuint program, GLuint shader)。每个program必须绑定一个Vertex Shader 和一个Fragment Shader。

      3）链接program 。 void   glLinkProgram(GLuint program)

      4）使用porgram 。 void   glUseProgram(GLuint program)

      对于使用独立shader编译器编译的二进制shader代码，可使用glShaderBinary来加载到一个shader实例中。



三、 Shading Language中的数据类型与变量
1. Uniforms and Attributes

     Uniforms 是一个program 中统一分配的，vertext 和fragment中同名的Uniform必须同类型。对应于不经常变化的变量（用于存储只读常量值的变量）。

     Attributes 变化率高的变量。主要用来定义输入的每个点属性。

     Uniforms and Attributes 在shader中通过location 和 name 来对应的。

2. 数据类型

1）三类基本数据类型：float , int , boolean

2）复合类型：浮点、整型、布尔向量   vec2 , vec3,vec4。vector访问方式有以下两种：

      （1）.操作：数学{x, y, z, w}, 颜色{r, g, b, a}或 纹理坐标{s, t, r, q}，但不能混用，举例如下：

        vec3 myVec3 = vec3(0.0, 1.0, 2.0); // myVec3 = {0.0, 1.0, 2.0}
        vec3 temp;
        temp = myVec3.xyz; // temp = {0.0, 1.0, 2.0}
        temp = myVec3.xxx; // temp = {0.0, 0.0, 0.0}
        temp = myVec3.zyx; // temp = {2.0, 1.0, 0.0}

      （2）[ ]操作：[0]对应x，[1]对应y，[2]对应z，[3]对应w。[ ]中只能为常量或uniform变量，不能为整数量变量（如：i，j，k）。



3）矩阵：mat2, mat3,mat4 （按列顺序存储）

      mat3 myMat3 = mat3(1.0, 0.0, 0.0,  // 第一列
                                  0.0, 1.0, 0.0,  // 第二列
                                  0.5, 1.0, 1.0); // 第三列

     可用[ ]或.操作符来访问：

     mat4 myMat4 = mat4(1.0);   // Initialize diagonal to 1.0 (identity)
     vec4 col0 = myMat4[0];        // Get col0 vector out of the matrix
     float m1_1 = myMat4[1][1];  // Get element at [1][1] in matrix
     float m2_2 = myMat4[2].z;   // Get element at [2][2] in matrix

4）常量

     const float zero = 0.0;
     const float pi = 3.14159;
     const vec4 red = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
     const mat4 identity = mat4(1.0);

5）结构体： 用基本类型和复合类型构建结构体。

     struct fogStruct
     {
         vec4 color;
         float start;
         float end;
     } fogVar;
     fogVar = fogStruct(vec4(0.0, 1.0, 0.0, 0.0), // color
                                  0.5, // start
                                  2.0); // end
     vec4 color = fogVar.color;
     float start  = fogVar.start;
     float end   = fogVar.end;

6）数组：类似于C语言，索引从0开始。在创建时不能被初始化，索引只能为常量或uniform变量。

     float floatArray[4];
     vec4 vecArray[2];

7）操作

     支持的操作有：*,/,+,-,++,--,=,+=, -=, *=, /=,==, !=, <, >, <=, >=,&&,^^,||

float myFloat; 
vec4 myVec4; 
mat4 myMat4; 
myVec4 = myVec4 * myFloat; // Multiplies each component of myVec4 
                           // by a scalar myFloat 
myVec4 = myVec4 * myVec4;  // Multiplies each component of myVec4 
                           // together (e.g., myVec4 ^ 2 ) 
myVec4 = myMat4 * myVec4;  // Does a matrix * vector multiply of 
                           // myMat4 * myVec4 
myMat4 = myMat4 * myMat4;  // Does a matrix * matrix multiply of 
                           // myMat4 * myMat4 
myMat4 = myMat4 * myFloat; // Multiplies each matrix component by 
                           // the scalar myFloat 


     前面矩阵的行数就是结果矩阵的行数，后面矩阵的列数就是结果矩阵的列数。

8）自定义函数：

vec4 myFunc(inout float myFloat,  // inout parameter 
            out vec4 myVec4,      // out parameter 
            mat4 myMat4);         // in parameter (default) 
     函数不能递归调用，因为GPU不一定有Stack和流控。

9）Shading Language内嵌函数

     主要有以下几类函数：

     （1）角度和三角函数

     （2）指数函数

     （3）通用函数（绝对值、取整、取余、取小数部分等）

     （4）几何函数

     （5）矩阵函数

     （6）向量比较函数

     （7）纹理查找函数

     （8）Derivative函数

10）控制流

 

if(color.a < 0.25) 
{ 
   color *= color.a; 
} 
else 
{ 
   color = vec4(0.0); 
} 
 
//For循环。只支持常数循环次数。 
//无论下标，还是循环变量，都只能使用编译时可确定的常数。 
for(int i = 0; i < 3; i++) 
{ 
   sum += i; 
} 
   以下不允许（因为下标为变量或loop次数为变量）：

float myArr[4]; 
for(int i = 0; i < 3; i++) 
{ 
    sum += myArr[i]; // NOT ALLOWED IN OPENGL ES, CANNOT DO 
                     // INDEXING WITH NONCONSTANT EXPRESSION 
} 
... 
uniform int loopIter; 
// NOT ALLOWED IN OPENGL ES, loopIter ITERATION COUNT IS NONCONSTANT 
for(int i = 0; i < loopIter; i++) 
{ 
    sum += i; 
} 

11）Uniforms（前辍修改）
       Uniform前辍修饰的变量初始值由外部程序赋值。在program中具有统一访问空间，存储空间有限。在Shader中是只读的，只能由外部主机程序传入值。

       它用于存储shader需要的各种数据，如：变换矩阵、光照参数和颜色。基本上，对于Shader是一个常量，但在编译时其值未知，则应当作为一个uniform变量。

        Uniform变量在Vertex Shader和Fragment Shader之间共享。当使用glUniform***设置了一个uniform变量的值之后，Vertex Shader和Fragment Shader中具有相同的值。

       Uniform变量被存储在GPU中的“常量存储区”，其空间大小是固定的，可通过API<glGetIntegerv>查询（GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_VECTORS 或 GL_MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS ）。



12）Attributes（前辍修改）

       Attribute类型的变量只有Vertex Shader才有。Attribute前辍修饰的变量定义的是每个Vertex的属性变量，包括位置，颜色，法线和纹理坐标

       Attribute 类型的变量在Vertex Shader中是只读的，只能由外部主机程序传入值。

       Attribute 类型的变量：是为每个被正在画的顶点所指定的数据。在画图前，每个顶点的属性由应用程序输入。

       与Uniform变量一样，其存储数量也是有限制的。可用glGetIntegerv（GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS）进行查询。GPU至少支持8个属性，所以Vertex Shader源码中不要超过8个attributes。



13）Varyings

       Varying变量用于存储Vertex Shader的输出和Fragment Shader的输入。在Vertex Shader和Fragment Shader中必须申明同一个Varying变量。

       与Uniform和Attribute一样，其存储数量也是有限制的，可用glGetIntegerv（GL_MAX_VARYING_VECTORS）进行查询。GPU至少支持8个Varying vector，所以Vertex Shader源码中不要超过8个Varying vector。

     GLint maxVertexAttribs; // n will be >= 8
     glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &maxVertexAttribs);



14）预处理

   

#define 
#undef 
#if 
#ifdef 
#ifndef 
#else 
#elif 
#endif 
__LINE__ // Replaced with the current line number in a shader 
__FILE__ // Always 0 in OpenGL ES 2.0 
__VERSION__ // The OpenGL ES shading language version (e.g., 100) 
GL_ES // This will be defined for ES shaders to a value of 1 


15) Uniform Attribute Varying存储空间最小值



变量类型

GPU必须支持的最小个数

Vertex Uniform Vectors

128

Fragment Uniform Vectors

16

Vertex Attributes

8

Varying Vectors

8


16) 精度限定(Precision Qualifiers)



       关键词：lowp highp mediump

       （1）指定变量精度（放在数据类型之前）：


highp vec4 position; 
varying lowp vec4 color; 
mediump float specularExp; 
               （2）指定默认精度（放在Vertex和Fragment shader源码的开始处）：

precision highp float; 
precision mediump int; 
          在Vertex Shader中，如果没有默认的精度，则float和int精度都为highp；在Fragment Shader中，float没有默认的精度，所以必须在Fragment Shader中为float指定一个默认精度或为每个float变量指定精度。

17）结果一致性

  invariant可被应用于任何Vertex Shader Varying输出变量，其目前是保证相同的操作和相同的输入，其结果一样。因为由于Shader精度不一样，其结果有可能不一样。

uniform mat4 u_viewProjMatrix; 
attribute vec4 a_vertex; 
invariant gl_Position; 
void main 
{ 
    // … 
    gl_Position = u_viewProjMatrix * a_vertex; // Will be the same 
                                              // value in all 
                                              // shaders with the 
                                              // same viewProjMatrix 
                                              // and vertex 
} 
也可指定所有的输出变量都为:invariant

#pragma STDGL invariant(all) 


四、获取和设置Uniforms

     通过GLint   glGetUniformLocation(GLuint program,const char* name).根据一个Uniform的名称获取其location.

     通过 glUniform***系列函数可以给一个location 设置一个Uniform的值。

void glUniform1f(GLint location, GLfloat x) 
void glUniform1fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v) 
 
void glUniform1i(GLint location, GLint x) 
void glUniform1iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v) 
 
void glUniform2f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y) 
void glUniform2fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v) 
 
void glUniform2i(GLint location, GLint x, GLint y) 
void glUniform2iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v) 
 
void glUniform3f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y,GLfloat z) 
void glUniform3fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v) 
 
void glUniform3i(GLint location, GLint x, GLint y,GLint z) 
void glUniform3iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v) 
 
void glUniform4f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y,GLfloat z, GLfloat w); 
void glUniform4fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v) 
 
void glUniform4i(GLint location, GLint x, GLint y,GLint z, GLint w) 
void glUniform4iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v) 
 
void glUniformMatrix2fv(GLint location, GLsizei count, 
                        GLboolean transpose,const GLfloat* value) 
void glUniformMatrix3fv(GLint location, GLsizei count, 
                        GLboolean transpose,const GLfloat* value) 
void glUniformMatrix4fv(GLint location, GLsizei count, 
                       GLboolean transpose,const GLfloat* value) 
       为矩阵uniform变量设置值的函数中的transpose必须为GL_FALSE，它目的为兼容性，但在 OpenGL ES 2.0中并没有工作。

       一旦你设置了一个Program中unifrom变量的值之后，即使你激活了另外一个Program,此uniform的值不变。即uniform变量是Program的局部变量。

五、Vertex Attributes

       Vertex属性即顶点数据，它指定了每个顶点的数据。在OpenGL ES1.1中，顶点属性有四个预定义的名字：position（位置）, normal（法线）, color（颜色）, 和 texture coordinates（纹理坐标）。在OpenGL ES2.0中，用户必须定义“顶点属性的名字”。

1. 常量顶点属性（Constant Vertex Attribute）

     常量顶点属性对所有顶点都是一样的。因此只需要指定一个值就可以应用于所有顶点。一般很少使用。其设置函数有：

 

void glVertexAttrib1f(GLuint index, GLfloat x); 
void glVertexAttrib2f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y); 
void glVertexAttrib3f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z); 
void glVertexAttrib4f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z,GLfloat w); 
void glVertexAttrib1fv(GLuint index, const GLfloat *values); 
void glVertexAttrib2fv(GLuint index, const GLfloat *values); 
void glVertexAttrib3fv(GLuint index, const GLfloat *values); 
void glVertexAttrib4fv(GLuint index, const GLfloat *values); 


2. 如何装载顶点数据？（Vertex Arrays）

       Vertex Array（顶点数组）：是一个存储在应用程序空间（Client）中的内存buffer，它存储了每个顶点的属性数据。   

       如何把顶点数据组的数据传递给GPU呢？

        void glVertexAttribPointer(GLuint index,

                                                GLint size,     //每个属性元素个数有效值1-4（x,y,z,w）
                                                GLenum type, //数组中每个元素的数据类型
                                                GLboolean normalized,
                                                GLsizei stride, //如果数据连续存放，则为0或      

                                                                       //size*sizeof(type)
                                                const void *ptr)  //顶点数组指针

       举例如下：



GLfloat vVertices[] = {  0.0f,  0.5f, 0.0f,  
                        -0.5f, -0.5f, 0.0f, 
                         0.5f, -0.5f, 0.0f }; 
    
// Set the viewport 
glViewport ( 0, 0, esContext->width, esContext->height ); 
 
// Clear the color buffer 
glClear ( GL_COLOR_BUFFER_BIT ); 
 
// Use the program object 
glUseProgram (programObject ); 
 
// Load the vertex data 
glVertexAttribPointer ( 0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, vVertices ); 

2.1 一个顶点的所有属性存储在一起（Array of Structures）

       如下图所示，顶点的位置(x,y,z)、法线(x,y,z)和两个纹理坐标(s,t)存储在一起，如下图所示：





2.2 顶点的每个属性单独存储（Structure of Arrays）