OpengGL ES基础入门----(3)着色器的介绍

着色器(Shader)是运行在GPU上的小程序。这些小程序为图形渲染管线的某个特定部分而运行。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。

前面的教程里我们简要地触及了一点着色器的皮毛，并了解了如何恰当地使用它们。现在我们会用一种更加广泛的形式详细解释着色器，特别是OpenGL着色器语言(GLSL)。

GLSL

着色器是使用一种叫GLSL的类C语言写成的。GLSL是为图形计算量身定制的，它包含一些针对向量和矩阵操作的有用特性。

着色器的开头总是要声明版本，接着是输入和输出变量、uniform和main函数。每个着色器的入口点都是main函数，在这个函数中我们处理所有的输入变量，并将结果输出到输出变量中。如果你不知道什么是uniform也不用担心，我们后面会进行讲解。

一个典型的着色器有下面的结构：

#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;
}

当我们特别谈论到顶点着色器的时候，每个输入变量也叫顶点属性(Vertex Attribute)。我们能声明的顶点属性是有上限的，它一般由硬件来决定。OpenGL确保至少有16个包含4分量的顶点属性可用，但是有些硬件或许允许更多的顶点属性，你可以查询GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS来获取具体的上限：

GLint nrAttributes;
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &nrAttributes);
std::cout << "Maximum nr of vertex attributes supported: " << nrAttributes << std::endl;

通常情况下它至少会返回16个，大部分情况下是够用了。

数据类型

和其他编程语言一样，GLSL有数据类型可以来指定变量的种类。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，它们会在这个教程中使用很多，分别是向量(Vector)和矩阵(Matrix)，其中矩阵我们会在之后的教程里再讨论。

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）：

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

大多数时候我们使用vecn，因为float足够满足大多数要求了。

一个向量的分量可以通过vec.x这种方式获取，这里x是指这个向量的第一个分量。你可以分别使用.x、.y、.z和.w来获取它们的第1、2、3、4个分量。GLSL也允许你对颜色使用rgba，或是对纹理坐标使用stpq访问相同的分量。

向量这一数据类型也允许一些有趣而灵活的分量选择方式，叫做重组(Swizzling)。重组允许这样的语法：

vec2 someVec;
vec4 differentVec = someVec.xyxx;
vec3 anotherVec = differentVec.zyw;
vec4 otherVec = someVec.xxxx + anotherVec.yxzy;

你可以使用上面4个字母任意组合来创建一个和原来向量一样长的（同类型）新向量，只要原来向量有那些分量即可；然而，你不允许在一个vec2向量中去获取.z元素。我们也可以把一个向量作为一个参数传给不同的向量构造函数，以减少需求参数的数量：

vec2 vect = vec2(0.5f, 0.7f);
vec4 result = vec4(vect, 0.0f, 0.0f);
vec4 otherResult = vec4(result.xyz, 1.0f);

关于OpenGLES渲染管线，请参考博客 [OpenGL ES 02]OpenGL ES渲染管线与着色器。着色器是可编程管线中的术语，其语法类似C语言，分为顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）

顶点着色器

Vertex shader – 在你的场景中，每个顶点都需要调用的程序，称为“顶点着色器”。假如你在渲染一个简单的场景：一个长方形，每个角只有一个顶点。于是vertex shader 会被调用四次。它负责执行：诸如灯光、几何变换等等的计算。得出最终的顶点位置后，为下面的片段着色器提供必须的数据。

vertex shader可通过可编程的方式实现对顶点的操作，如坐标空间转换，颜色及纹理坐标。最简单的Vertex shader如下

attribute vec4 Position;

void main(Void) {
    gl_Position = Position; // must set gl_Position for vertex shader
}

1、attribute声明vertex shader接收的变量，针对每一个顶点的数据。属性可理解为针对每一个顶点的输入数据，只有在vertex shader中才有，在fragment shader中没有。vec4表示由4部分组成的矢量。这里的Position用来传入顶点vertex的位置数据。
2、main是shader脚本的入口。
3、gl_Position是vertex shader内建的输出变量，传递给fragment shader，必须设置。这里将Position直接传递给fragment shader。

片元着色器

Fragment shader – 在你的场景中，大概每个像素都会调用的程序，称为“片段着色器”。在一个简单的场景，也是刚刚说到的长方形。这个长方形所覆盖到的每一个像素，都会调用一次fragment shader。片段着色器的责任是计算灯光，以及更重要的是计算出每个像素的最终颜色

Fragment是可以被渲染到屏幕上的像素点，fragment shader即用于计算每个像素的颜色等属性。最简单的Fragment shader如下

precision mediump float;

void main(void) {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // must set gl_FragColor for fragment shader
}

1、precision mediump float设置float的精度为mediump，还可设置为lowp和highp，主要是出于性能考虑。
2、gl_FragColor是fragment shader唯一的内建输出变量，设置像素的颜色。这里设置所有像素均为红色。

Vertex shader接收多个参数

上边的vertex shader仅接收顶点的位置信息，因此像素颜色都是在fragment shader中写固定的（红色）。而在下边的vertex shader中，通过SourceColor传递像素颜色。

attribute vec4 Position;    // position of vertex
attribute vec4 SourceColor; // color of vertex

varying vec4 DestinationColor; // will pass out to fragment shader

void main(void) {
    DestinationColor = SourceColor;
    gl_Position = Position;
}

1、未声明为attribute的变量即为输出变量（如DestinationColor），将传递给fragment shader。
2、varying表示依据两个顶点的颜色，平滑地计算出顶点之间每个像素的颜色。

对应的fragment shader为：

varying lowp vec4 DestinationColor;

void main(void) {
    gl_FragColor = DestinationColor;
}

这里，fragment shader接收来自vertex shader的变量DestinationColor，赋值给gl_FragColor，再输出至OpenGLES。即每个像素的颜色由DestinationColor决定，这样可在代码中精确控制每个像素的颜色。

Vertex shader与Fragment shader的差异

1、shader脚本中有三种级别的精度：lowp，mediump，highp。如precision highp float; 。在vertex shader中，int和float都默认为highp级别。而fragment shader中没有默认精度，必须设置精度描述符，一般设为mediump即可。
2、attribute只作用于vertex shader中，表示接收的变量。在vertex shader中，若没有attribute则为输出变量（输出至fragment shader）。
3、vertex shader的默认输出变量至少应该有gl_Position，另外有两个可选的gl_FrontFacing和gl_PointSize。而fragment shader只有唯一的varying输出变量gl_FragColor。
4、Uniform是全局变量，可用于vertex shader和fragment shader。在vertex shader中通常是变换矩阵、光照参数、颜色等，。在fragment shader中通常是雾化参数、纹理参数等。OpenGLES 2.0规定所有实现应该支持的最大vertex shader的uniform变量个数不能少于128个，而最大fragment shader的uniform变量个数不能少于16个。
5、simpler是一种特殊的uniform，用于呈现纹理，可用于vertex shader和fragment shader.

本文主要参考：http://learnopengl-cn.readthedocs.io/zh/latest/
http://blog.csdn.net/icetime17/article/details/50436927