OpenGL ES之七——着色器语言GLSL

概述

这是一个系列的Android平台下OpenGl ES介绍，从最基本的使用最终到VR图的展示的实现，属于基础篇。（后面针对VR视频会再有几篇文章，属于进阶篇）

OpenGL ES之一——概念扫盲
OpenGL ES之二——Android中的OpenGL ES概述
OpenGL ES之三——绘制纯色背景
OpenGL ES之四——绘制点，线，三角形
OpenGL ES之五——相机和投影，绘制等腰三角形
OpenGL ES之六——绘制矩形和圆形
OpenGL ES之七——着色器语言GLSL
OpenGL ES之八——GLES20类和Matrix类
OpenGL ES之九——相机和投影
OpenGL ES之十——纹理贴图（展示一张图片）
OpenGL ES之十一——绘制3D图形
OpenGL ES之十二——地球仪和VR图

本篇概述

前面之所以没有详细的来介绍一下GLSL，因为之前如果上来就介绍语言会显得突兀，而现在经过了前面几篇文章的铺垫，相信大家自己对这门语言也已经有一些了解了。
我们之前的文章中介绍OpenGL ES版本的时候也提到过：OpenGL ES 1.x是针对固定硬件管线的而从OpenGL ES 2.0开始针对可编程硬件管线。而这其中最重要的就是顶点着色器和片元着色器，顶点着色器是针对每个顶点执行一次，用于确定顶点的位置，将颜色信息或者纹理信息传递给片元着色器，片元着色器是针对每个片元，片元我们可以理解为每个像素，用于确定每个片元（像素）的颜色。

本文只是介绍着色器语言本身，而固定管线和可编程管线这里不做详细介绍。

一 GLSL特点

OpenGLES的着色器语言GLSL是一种高级的图形化编程语言，其源自应用广泛的C语言。与传统的C语言不同的是，它提供了更加丰富的针对于图像处理的原生类型，诸如向量、矩阵之类。GLSL主要包含以下特性：

GLSL是一种面向过程的语言，和C相同。
GLSL的基本语法与C/C++基本相同。
它完美的支持向量和矩阵操作。
它是通过限定符操作来管理输入输出类型的。
GLSL提供了大量的内置函数来提供丰富的扩展功能。

二 GLSL 基础

GLSL虽然是基于C/C++的语言，也和他们有很多相似的地方，但是它和C/C++还是有很多的不同之处的，比如在GLSL中没有double、long等类型，没有union、enum、unsigned以及位运算等特性。
之前文中我们所使用的都是非常简单的着色器，没有使用过GLSL的内置函数，在后面要有比较复杂的功能实现，我们不可避免的要使用这些内置函数。
下面来看GLSL语言的基础。

2.1 基本数据类型

GLSL中的数据类型主要分为标量、向量、矩阵、采样器、结构体、数组、空类型七种类型。如下：

1. 标量：

标量表示的是只有大小没有方向的量，在GLSL中标量只有bool、int和float三种。对于int，和C一样，可以写为十进制（16）、八进制（020）或者十六进制（0x10）。对于标量的运算，我们最需要注意的是精度，防止溢出问题。

2. 向量：

向量我们可以看做是数组，在GLSL通常用于储存颜色、坐标等数据，针对维数，可分为二维、三维和四维向量。针对存储的标量类型，可以分为bool、int和float。共有vec2、vec3、vec4，ivec2、ivec3、ivec4、bvec2、bvec3和bvec4九种类型，数组代表维数、i表示int类型、b表示bool类型。需要注意的是，GLSL中的向量表示竖向量，所以与矩阵相乘进行变换时，矩阵在前，向量在后（与DirectX正好相反）。向量在GPU中由硬件支持运算，比CPU快的多。
作为颜色向量时，用rgba表示分量，就如同取数组的中具体数据的索引值。三维颜色向量就用rgb表示分量。比如对于颜色向量vec4 color，color[0]和color.r都表示color向量的第一个值，也就是红色的分量。其他相同。
作为位置向量时，用xyzw表示分量，xyz分别表示xyz坐标，w表示向量的模。三维坐标向量为xyz表示分量，二维向量为xy表示分量。
作为纹理向量时，用stpq表示分量，三维用stp表示分量，二维用st表示分量。

3. 矩阵：

在GLSL中矩阵拥有22、33、4*4三种类型的矩阵，分别用mat2、mat3、mat4表示。我们可以把矩阵看做是一个二维数组，也可以用二维数组下表的方式取里面具体位置的值。

4.采样器：

采样器是专门用来对纹理进行采样工作的，在GLSL中一般来说，一个采样器变量表示一副或者一套纹理贴图。所谓的纹理贴图可以理解为我们看到的物体上的皮肤。

5.结构体：

和C语言中的结构体相同，用struct来定义结构体，关于结构体参考C语言中的结构体。

6.数组：

数组知识也和C中相同，不同的是数组声明时可以不指定大小，但是建议在不必要的情况下，还是指定大小的好。

7.空类型：

空类型用void表示，仅用来声明不返回任何值得函数。

float a=1.0;
int b=1;
bool c=true;
vec2 d=vec2(1.0,2.0);
vec3 e=vec3(1.0,2.0,3.0)
vec4 f=vec4(vec3,1.2);
vec4 g=vec4(0.2);  //相当于vec(0.2,0.2,0.2,0.2)
vec4 h=vec4(a,a,1.3,a);
mat2 i=mat2(0.1,0.5,1.2,2.4);
mat2 j=mat2(0.8);   //相当于mat2(0.8,0.8,0.8,0.8)
mat3 k=mat3(e,e,1.2,1.6,1.8);

2.2 运算符

GLSL中的运算符有（越靠前，运算优先级越高）：

索引：[]
前缀自加和自减：++，–
一元非和逻辑非：~，！
加法和减法：+，-
等于和不等于：==，！=
逻辑异或：^^
三元运算符号，选择：？:
成员选择与混合：.
后缀自加和自减：++，–
乘法和除法：*，/
关系运算符：>，<，=，>=，<=，<>
逻辑与：&&
逻辑或：||
赋值预算：=，+=，-=，*=，/=

2.3 类型转换

GLSL的类型转换与C不同。在GLSL中类型不可以自动提升，比如float a=1;就是一种错误的写法，必须严格的写成float a=1.0，也不可以强制转换，即float a=(float)1;也是错误的写法，但是可以用内置函数来进行转换，如float a=float(1);还有float a=float(true);（true为1.0，false为0.0）等，值得注意的是，低精度的int不能转换为低精度的float。

2.4 限定符

在之前的博客中也提到了，GLSL中的限定符号主要有：

attritude：一般用于各个顶点各不相同的量。如顶点颜色、坐标等。
uniform：一般用于对于3D物体中所有顶点都相同的量。比如光源位置，统一变换矩阵等。
varying：表示易变量，一般用于顶点着色器传递到片元着色器的量。
const：常量。

限定符与java限定符类似，放在变量类型之前，并且只能用于全局变量。在GLSL中，没有默认限定符一说。

2.5 流程控制

GLSL中的流程控制与C中基本相同，主要有：

if(){}、if(){}else{}、if(){}else if(){}else{}
while(){}和do{}while()
for(;;){}
break和continue

2.6 函数

GLSL中也可以定义函数，定义函数的方式也与C语言基本相同。函数的返回值可以是GLSL中的除了采样器的任意类型。对于GLSL中函数的参数，可以用参数用途修饰符来进行修饰，常用修饰符如下：

in：输入参数，无修饰符时默认为此修饰符。
out：输出参数。
inout：既可以作为输入参数，又可以作为输出参数。

2.7 浮点精度

与顶点着色器不同的是，在片元着色器中使用浮点型时，必须指定浮点类型的精度，否则编译会报错。精度有三种，分别为：

lowp：低精度。8位。
mediump：中精度。10位。
highp：高精度。16位。

不仅仅是float可以制定精度，其他（除了bool相关）类型也同样可以，但是int、采样器类型并不一定要求指定精度。加精度的定义如下：

uniform lowp float a=1.0;
varying mediump vec4 c;

当然，也可以在片元着色器中设置默认精度，只需要在片元着色器最上面加上precision <精度> <类型>即可制定某种类型的默认精度。其他情况相同的话，精度越高，画质越好，使用的资源也越多。

2.8 程序结构

如果不了解C和C++的程序结构，在使用GLSL的时候就费劲了，尤其是现在市面上开源的一些基于GLSL编写的处理视频的程序，所以建议去看一看C。
GLSL程序的结构和C语言差不多，main()方法表示入口函数，可以在其上定义函数和变量，在main中可以引用这些变量和函数。定义在函数体以外的叫做全局变量，定义在函数体内的叫做局部变量。与高级语言不同的是，变量和函数在使用前必须声明，不能再使用的后面声明变量或者函数。

三 GLSL 内建变量

在着色器中我们一般都会声明变量来在程序中使用，但是着色器中还有一些特殊的变量，不声明也可以使用。这些变量叫做内建变量。內建变量，相当于着色器硬件的输入和输出点，使用者利用这些输入点输入之后，就会看到屏幕上的输出。通过输出点可以知道输出的某些数据内容。当然，实际上肯定不会这样简单，这么说只是为了帮助理解。在顶点着色器中的内建变量和片元着色器的内建变量是不相同的。着色器中的内建变量有很多，在此，我们只列出最常用的集中内建变量。

顶点着色器的内建变量

输入变量：

gl_Position：顶点坐标
gl_PointSize：点的大小，没有赋值则为默认值1，通常设置绘图为点绘制才有意义。

片元着色器的内建变量

输入变量:

gl_FragCoord：当前片元相对窗口位置所处的坐标。
gl_FragFacing：bool型，表示是否为属于光栅化生成此片元的对应图元的正面。

输出变量:

gl_FragColor：当前片元颜色
gl_FragData：vec4类型的数组。向其写入的信息，供渲染管线的后继过程使用。

四 常用内置函数

常见函数

radians(x)：角度转弧度
degrees(x)：弧度转角度
sin(x)：正弦函数，传入值为弧度。相同的还有cos余弦函数、tan正切函数、asin反正弦、acos反余弦、atan反正切
pow(x,y)：xy
exp(x)：ex
exp2(x)：2x
log(x)：logex
log2(x)：log2x
sqrt(x)：x√
inversesqr(x)：1x√
abs(x)：取x的绝对值
sign(x)：x>0返回1.0，x<0返回-1.0，否则返回0.0
ceil(x)：返回大于或者等于x的整数
floor(x)：返回小于或者等于x的整数
fract(x)：返回x-floor(x)的值
mod(x,y)：取模（求余）
min(x,y)：获取xy中小的那个
max(x,y)：获取xy中大的那个
mix(x,y,a)：返回x∗(1−a)+y∗a
step(x,a)：x< a返回0.0，否则返回1.0
smoothstep(x,y,a)：a < x返回0.0，a>y返回1.0，否则返回0.0-1.0之间平滑的Hermite插值。
dFdx(p)：p在x方向上的偏导数
dFdy(p)：p在y方向上的偏导数
fwidth(p)：p在x和y方向上的偏导数的绝对值之和

几何函数

length(x)：计算向量x的长度
distance(x,y)：返回向量xy之间的距离
dot(x,y)：返回向量xy的点积
cross(x,y)：返回向量xy的差积
normalize(x)：返回与x向量方向相同，长度为1的向量

矩阵函数

matrixCompMult(x,y)：将矩阵相乘
lessThan(x,y)：返回向量xy的各个分量执行x< y的结果，类似的有greaterThan,equal,notEqual
lessThanEqual(x,y)：返回向量xy的各个分量执行x<= y的结果，类似的有类似的有greaterThanEqual
any(bvec x)：x有一个元素为true，则为true
all(bvec x)：x所有元素为true，则返回true，否则返回false
not(bvec x)：x所有分量执行逻辑非运算

纹理采样函数

纹理采样函数有texture2D、texture2DProj、texture2DLod、texture2DProjLod、textureCube、textureCubeLod及texture3D、texture3DProj、texture3DLod、texture3DProjLod等。

texture表示纹理采样，2D表示对2D纹理采样，3D表示对3D纹理采样
Lod后缀，只适用于顶点着色器采样
Proj表示纹理坐标st会除以q

纹理采样函数中，3D在OpenGLES2.0并不是绝对支持。我们再次暂时不管3D纹理采样函数。重点只对texture2D函数进行说明。texture2D拥有三个参数，第一个参数表示纹理采样器。第二个参数表示纹理坐标，可以是二维、三维、或者四维。第三个参数加入后只能在片元着色器中调用，且只对采样器为mipmap类型纹理时有效。

五 总结

总的来说GLSL相对于C和Java来说还是很简单的，尤其它更像是C。所以推荐不了解C的去了解一下C。