Android OpenGLES2.0（七）——着色器语言GLSL
在前面的博客中，我们都使用到了片元着色器和顶点着色器，相信我们对着色器语言有了一点了解。前面我们所使用的着色器，代码非常简单，能做的事情非常有限，而在后面的博客中我们将会用到的着色器的越来越复杂，所以在这里单独写一篇博客来介绍我们使用到的着色器语言GLSL。
关于着色器
着色器是用来实现图像渲染的，用来替代固定渲染管线的可编程程序。着色器替代了传统的固定渲染管线，可以实现3D图形学计算中的相关计算，由于其可编程性，可以实现各种各样的图像效果而不用受显卡的固定渲染管线限制。这极大的提高了图像的画质。
本篇博客重点介绍GLSL语言本身，关于固定管道和可编程管道的介绍可自行查阅，或者直接参照Android OpenGLES2.0（一）——了解OpenGLES2.0的OpenGLES1.x和OpenGLES2.0的渲染管道图，即可知道固定渲染管道和可编程渲染管道的区别。
关于着色器前面的博客也提到过，在OpenGLES中着色器分为顶点着色器和片元着色器，我们可以理解为：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；片元着色器是针对每个片元（可以理解为每个像素）执行一次，用于确定每个片元（像素）的颜色。
着色器语言简介
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。OpenGLES 主要包含以下特性：
- GLSL是一种面向过程的语言，和Java的面向对象是不同的。
- 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。
在前面的博客示例中，我们所使用的都是非常简单的着色器，基本没有使用过GLSL的内置函数，在后面使用光照、贴图等等其他功能，我们不可避免的要使用这些内置函数。
着色器语言基础
GLSL虽然是基于C/C++的语言，但是它和C/C++还是有很大的不同的，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。
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：
- 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）。关于进制不了解的，得自己补补，这是编程基础。对于标量的运算，我们最需要注意的是精度，防止溢出问题。
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、三维和四位向量。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。
矩阵：在GLSL中矩阵拥有2*2、3*3、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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 空类型：空类型用void表示，仅用来声明不返回任何值得函数。
变量声明示例：
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);运算符
GLSL中的运算符有（越靠前，运算优先级越高）：
1. 索引：[]
2. 前缀自加和自减：++，–
3. 一元非和逻辑非：~，！
4. 加法和减法：+，-
5. 等于和不等于：==，！=
6. 逻辑异或：^^
7. 三元运算符号，选择：？:
8. 成员选择与混合：.
9. 后缀自加和自减：++，–
10. 乘法和除法：*，/
11. 关系运算符：>，<，=，>=，<=，<>
12. 逻辑与：&&
13. 逻辑或：||
14. 赋值预算：=，+=，-=，*=，/=
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。。
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。
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
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。
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。
具体如下表：
| 精度 | 浮点范围 | 浮点量级 | 浮点精度 | 整数范围 |
|---|---|---|---|---|
| highp | (−262,262) | (2−62,262) | 相对： (2−16) | (−216,216) |
| mediump | (−214,214) | (2−14,214) | 相对： (2−10) | (−210,210) |
| lowp | (−2,2) | (2−8,2) | 绝对： (2−8) | (−28,28) |
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。
程序结构
前面几篇博客都有使用到着色器，我们对着色器的程序结构也应该有一定的了解。也许一直沉浸在Android应用开发，没有了解C开发的朋友，对这种结构并不熟悉。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。与高级语言不通的是，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。
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。
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。
小结
到这里，关于着色器语言GLSL就大致介绍完了，相对Java来说，GLSL语言不知简单了多少倍。结合之前博客的案例，相信我们也能够写一些简单的着色器了。在后续的博客中，我们将会学习纹理、光照、混合与雾、图像处理等内容，将会频繁的用到着色器语言，在使用的过程中，我们才能更好的掌握GLSL。
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