OpenGLES 入门(一)着色器简介

与OpenGL ES1.x渲染管线相比，OpenGL ES 2.0渲染管线中“顶点着色器”取代了OpenGL ES 1.x渲染管线中的“变换和光照”；“片元着色器”取代了OpenGL ES 1.x渲染管线中的“纹理环境和颜色求和”、“雾”以及“Alpha测试”。 这使得开发人员在使用OpenGL ES 2.0API进行开发时，可以通过编写顶点及片元着色器程序，来完成一些顶点变换和纹理颜色计算工作，实现更加灵活、精细化的计算与渲染。

着色语言(Shader)

着色语言是一种类C的编程语言，但不像C语言一样支持双精度浮点型(double)、字节型(byte)、短整型(short)、长整型(long)，并且取消了C中的联合体(union)、枚举类型(enum)、无符号数(unsigned)以及位运算等特性。 着色语言中有许多内建的原生数据类型以及构建数据类型，如：浮点型(float)、布尔型(bool)、整型(int)、矩阵型(matrix)以及向量型(vec2、vec3等)等。总体来说，这些数据类型可以分为标量、向量、矩阵、采样器、结构体以及数组等。 shader支持下面数据类型：

float  bool  int    基本数据类型
vec2                包含了2个浮点数的向量
vec3                包含了3个浮点数的向量
vec4                包含了4个浮点数的向量
ivec2               包含了2个整数的向量
ivec3               包含了3个整数的向量
ivec4               包含了4个整数的向量
bvec2               包含了2个布尔数的向量
bvec3               包含了3个布尔数的向量
bvec4               包含了4个布尔数的向量
mat2                2*2维矩阵
mat3                3*3维矩阵
mat4                4*4维矩阵
sampler1D           1D纹理采样器
sampler2D           2D纹理采样器
sampler3D           3D纹理采样器

1.顶点着色器(vertex_shader)

示例代码:

uniform mat4 uMVPMatrix;                             // 应用程序传入顶点着色器的总变换矩阵
attribute vec4 aPosition;                            // 应用程序传入顶点着色器的顶点位置
attribute vec2 aTextureCoord;                        // 应用程序传入顶点着色器的顶点纹理坐标
attribute vec4 aColor                                // 应用程序传入顶点着色器的顶点颜色变量
varying vec4 vColor                                  // 用于传递给片元着色器的顶点颜色数据
varying vec2 vTextureCoord;                          // 用于传递给片元着色器的顶点纹理数据
void main()
{
    gl_Position = uMVPMatrix * aPosition;            // 根据总变换矩阵计算此次绘制此顶点位置
    vColor = aColor;                                 // 将顶点颜色数据传入片元着色器
    vTextureCoord = aTextureCoord;                   // 将接收的纹理坐标传递给片元着色器
}

顶点着色器是一个可编程的处理单元，执行顶点变换、纹理坐标变换、光照、材质等顶点的相关操作，每顶点执行一次。替代了传统渲染管线中顶点变换、光照以及纹理坐标的处理，开发人员可以根据自己的需求自行开发，大大增加了程序的灵活性。

顶点着色器主要是传入相应的Attribute变量、Uniforms变量、采样器以及临时变量，经过顶点着色器后生成Varying变量。如下图所示：

顶点着色器

（1）attribute变量(属性变量)只能用于顶点着色器中，不能用于片元着色器。 一般用该变量来表示一些顶点数据，如：顶点坐标、纹理坐标、颜色等。

（2）uniforms变量(一致变量)用来将数据值从应用程其序传递到顶点着色器或者片元着色器。 该变量有点类似C语言中的常量（const），即该变量的值不能被shader程序修改。一般用该变量表示变换矩阵、光照参数、纹理采样器等。

（3）varying变量(易变变量)是从顶点着色器传递到片元着色器的数据变量。顶点着色器可以使用易变变量来传递需要插值的颜色、法向量、纹理坐标等任意值。 在顶点与片元shader程序间传递数据是很容易的，一般在顶点shader中修改varying变量值，然后片元shader中使用该值，当然，该变量在顶点及片元这两段shader程序中声明必须是一致的 。例如：上面代码中应用程序中由顶点着色器传入片元着色器中的vColor变量。

（4）gl_Position 为内建变量，表示变换后点的空间位置。 顶点着色器从应用程序中获得原始的顶点位置数据，这些原始的顶点数据在顶点着色器中经过平移、旋转、缩放等数学变换后，生成新的顶点位置。新的顶点位置通过在顶点着色器中写入gl_Position传递到渲染管线的后继阶段继续处理。

2.片着色器(fragment_shader)

precision mediump float;                           // 设置工作精度
varying vec4 vColor;                               // 接收从顶点着色器过来的顶点颜色数据
varying vec2 vTextureCoord;                        // 接收从顶点着色器过来的纹理坐标
uniform sampler2D sTexture;                        // 纹理采样器，代表一幅纹理
void main()
{                                                                                   
    gl_FragColor = texture2D(sTexture, vTextureCoord) * vColor;// 进行纹理采样
}

此片元着色器的主要功能为根据接收的记录片元纹理坐标的易变变量中的纹理坐标，调用texture2D内建函数从采样器中进行纹理采样，得到此片元的颜色值。最后，将采样到的颜色值传给gl_FragColor内建变量，完成片元的着色。

片元着色器是一个处理片元值及其相关联数据的可编程单元，片元着色器可执行纹理的访问、颜色的汇总、雾化等操作，每片元执行一次。片元着色器替代了纹理、颜色求和、雾以及Alpha测试，这一部分是需要开发者自己开发的。

片着色器

（1）varying指的是从顶点着色器传递到片元着色器的数据变量

（2）gl_FragColor为内置变量，用来保存片元着色器计算完成的片元颜色值，此颜色值将送入渲染管线的后继阶段进行处理。