OpenGL进阶之高级GLSL

参考：

https://learnopenglcn.github.io/04%20Advanced%20OpenGL/08%20Advanced%20GLSL/

GLSL的内建变量

着色器都是最简化的，如果需要当前着色器以外地方的数据的话，我们必须要将数据传进来。
我们已经学会使用顶点属性、uniform和采样器来完成这一任务了。
然而，除此之外，GLSL还定义了另外几个以gl_为前缀的变量，它们能提供给我们更多的方式来读取/写入数据。我们已经在前面教程中接触过其中的两个了：顶点着色器的输出向量gl_Position，和片段着色器的gl_FragCoord。

顶点着色器变量

gl_Position

是顶点着色器的裁剪空间输出位置向量。如果你想在屏幕上显示任何东西，在顶点着色器中设置gl_Position是必须的步骤

gl_PointSize

GLSL定义了一个叫做gl_PointSize输出变量，它是一个float变量，你可以使用它来设置点的宽高。

在顶点着色器中修改点大小的功能默认是禁用的，如果你需要启用它的话，你需要启用OpenGL的GL_PROGRAM_POINT_SIZE：

glEnable(GL_PROGRAM_POINT_SIZE);

一个简单的例子就是将点的大小设置为裁剪空间位置的z值，也就是顶点距观察者的距离。点的大小会随着观察者距顶点距离变远而增大。

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);    
    gl_PointSize = gl_Position.z;    
}

结果就是，当我们远离这些点的时候，它们会变得更大：

gl_VertexID

gl_Position和gl_PointSize都是输出变量，因为它们的值是作为顶点着色器的输出被读取的。
我们可以对它们进行写入，来改变结果。顶点着色器还为我们提供了一个有趣的输入变量，我们只能对它进行读取，它叫做gl_VertexID

整型变量gl_VertexID储存了正在绘制顶点的当前ID。当（使用glDrawElements）进行索引渲染的时候，这个变量会存储正在绘制顶点的当前索引。
当（使用glDrawArrays）不使用索引进行绘制的时候，这个变量会储存从渲染调用开始的已处理顶点数量。

片段着色器变量

GLSL提供给我们两个有趣的输入变量：gl_FragCoord和gl_FrontFacing。

gl_FragCoord

在讨论深度测试的时候，我们已经见过gl_FragCoord很多次了，因为gl_FragCoord的z分量等于对应片段的深度值。然而，我们也能使用它的x和y分量来实现一些有趣的效果

gl_FragCoord的x和y分量是片段的窗口空间(Window-space)坐标，其原点为窗口的左下角。我们已经使用glViewport设定了一个800x600的窗口了，所以片段窗口空间坐标的x分量将在0到800之间，y分量在0到600之间

通过利用片段着色器，我们可以根据片段的窗口坐标，计算出不同的颜色。gl_FragCoord的一个常见用处是用于对比不同片段计算的视觉输出效果，这在技术演示中可以经常看到。比如说，我们能够将屏幕分成两部分，在窗口的左侧渲染一种输出，在窗口的右侧渲染另一种输出

void main()
{             
    if(gl_FragCoord.x < 400)
        FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    else
        FragColor = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);        
}

gl_FrontFacing

如果我们不（启用GL_FACE_CULL来）使用面剔除，那么gl_FrontFacing将会告诉我们当前片段是属于正向面的一部分还是背向面的一部分
举例来说，我们能够对正向面计算出不同的颜色。
gl_FrontFacing变量是一个bool，如果当前片段是正向面的一部分那么就是true，否则就是false。
比如说，我们可以这样子创建一个立方体，在内部和外部使用不同的纹理：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec2 TexCoords;

uniform sampler2D frontTexture;
uniform sampler2D backTexture;

void main()
{             
    if(gl_FrontFacing)
        FragColor = texture(frontTexture, TexCoords);
    else
        FragColor = texture(backTexture, TexCoords);
}

注意，如果你开启了面剔除，你就看不到箱子内部的面了，所以现在再使用gl_FrontFacing就没有意义了

gl_FragDepth

gl_FragCoord能让我们读取当前片段的窗口空间坐标，并获取它的深度值，但是它是一个只读(Read-only)变量。
我们不能修改片段的窗口空间坐标，但实际上修改片段的深度值还是可能的。GLSL提供给我们一个叫做gl_FragDepth的输出变量，我们可以使用它来在着色器内设置片段的深度值。
要想设置深度值，我们直接写入一个0.0到1.0之间的float值到输出变量就可以了：

gl_FragDepth = 0.0; // 这个片段现在的深度值为 0.0

然而，由我们自己设置深度值有一个很大的缺点，只要我们在片段着色器中对gl_FragDepth进行写入，OpenGL就会禁用所有的提前深度测试。它被禁用的原因是，OpenGL无法在片段着色器运行之前得知片段将拥有的深度值，因为片段着色器可能会完全修改这个深度值

在写入gl_FragDepth时，你就需要考虑到它所带来的性能影响。
然而，从OpenGL 4.2起，我们仍可以对两者进行一定的调和，在片段着色器的顶部使用深度条件(Depth Condition)重新声明gl_FragDepth变量：

layout (depth_<condition>) out float gl_FragDepth;

condition可以为下面的值：

通过将深度条件设置为greater或者less，OpenGL就能假设你只会写入比当前片段深度值更大或者更小的值了。这样子的话，当深度值比片段的深度值要小的时候，OpenGL仍是能够进行提前深度测试的

接口块

每当我们希望从顶点着色器向片段着色器发送数据时，我们都声明了几个对应的输入/输出变量。将它们一个一个声明是着色器间发送数据最简单的方式了，但当程序变得更大时，你希望发送的可能就不只是几个变量了，它还可能包括数组和结构体。

为了帮助我们管理这些变量，GLSL为我们提供了一个叫做接口块的东西，来方便我们组合这些变量。接口块的声明和struct的声明有点相像，不同的是，现在根据它是一个输入还是输出块，使用in或out关键字来定义的。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec2 aTexCoords;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

out VS_OUT
{
    vec2 TexCoords;
} vs_out;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);    
    vs_out.TexCoords = aTexCoords;
}  

这次我们声明了一个叫做vs_out的接口块，它打包了我们希望发送到下一个着色器中的所有输出变量，它能够帮助你管理着色器的输入和输出。当我们希望将着色器的输入或输出打包为数组时，它也会非常有用

之后，我们还需要在下一个着色器，即片段着色器，中定义一个输入接口块。块名应该是和着色器中一样的（VS_OUT），但实例名（顶点着色器中用的是vs_out）可以是随意的，但要避免使用误导性的名称，比如对实际上包含输入变量的接口块命名为vs_out

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in VS_OUT
{
    vec2 TexCoords;
} fs_in;

uniform sampler2D texture;

void main()
{             
    FragColor = texture(texture, fs_in.TexCoords);   
}

只要两个接口块的名字一样，它们对应的输入和输出将会匹配起来。

Uniform缓冲对象

OpenGL为我们提供了一个叫做Uniform缓冲对象(Uniform Buffer Object)的工具，它允许我们定义一系列在多个着色器中相同的全局Uniform变量。
当使用Uniform缓冲对象的时候，我们只需要设置相关的uniform一次。当然，我们仍需要手动设置每个着色器中不同的uniform。并且创建和配置Uniform缓冲对象会有一点繁琐。

因为Uniform缓冲对象仍是一个缓冲，我们可以使用glGenBuffers来创建它，将它绑定到GL_UNIFORM_BUFFER缓冲目标，并将所有相关的uniform数据存入缓冲

首先，我们将使用一个简单的顶点着色器，将projection和view矩阵存储到所谓的Uniform块(Uniform Block)中：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;

layout (std140) uniform Matrices
{
    mat4 projection;
    mat4 view;
};

uniform mat4 model;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

我们声明了一个叫做Matrices的Uniform块，它储存了两个4x4矩阵。Uniform块中的变量可以直接访问，不需要加块名作为前缀。接下来，我们在OpenGL代码中将这些矩阵值存入缓冲中，每个声明了这个Uniform块的着色器都能够访问这些矩阵。

layout (std140)这个语句是什么意思。它的意思是说，当前定义的Uniform块对它的内容使用一个特定的内存布局。这个语句设置了Uniform块布局

Uniform块布局

Uniform块的内容是储存在一个缓冲对象中的，它实际上只是一块预留内存。因为这块内存并不会保存它具体保存的是什么类型的数据，我们还需要告诉OpenGL内存的哪一部分对应着着色器中的哪一个uniform变量。

假设着色器中有以下的这个Uniform块：

layout (std140) uniform ExampleBlock
{
    float value;
    vec3  vector;
    mat4  matrix;
    float values[3];
    bool  boolean;
    int   integer;
};

我们需要知道的是每个变量的大小（字节）和（从块起始位置的）偏移量来让我们能够按顺序将它们放进缓冲中。
每个元素的大小都是在OpenGL中有清楚地声明的，而且直接对应C++数据类型，其中向量和矩阵都是大的float数组。OpenGL没有声明的是这些变量间的间距(Spacing)。这允许硬件能够在它认为合适的位置放置变量。
比如说，一些硬件可能会将一个vec3放置在float边上。不是所有的硬件都能这样处理，可能会在附加这个float之前，先将vec3填充(Pad)为一个4个float的数组。这个特性本身很棒，但是会对我们造成麻烦

默认情况下，GLSL会使用一个叫做共享(Shared)布局的Uniform内存布局

共享是因为一旦硬件定义了偏移量，它们在多个程序中是共享并一致的。
使用共享布局时，GLSL是可以为了优化而对uniform变量的位置进行变动的，只要变量的顺序保持不变。因为我们无法知道每个uniform变量的偏移量，我们也就不知道如何准确地填充我们的Uniform缓冲了。虽然共享布局给了我们很多节省空间的优化，但是我们需要查询每个uniform变量的偏移量，这会产生非常多的工作量。通常的做法是，不使用共享布局，而是使用std140布局
std140布局声明了每个变量的偏移量都是由一系列规则所决定的，这显式地声明了每个变量类型的内存布局。由于这是显式提及的，我们可以手动计算出每个变量的偏移量。

每个变量都有一个基准对齐量(Base Alignment)，它等于一个变量在Uniform块中所占据的空间（包括填充量(Padding)），这个基准对齐量是使用std140布局的规则计算出来的。
接下来，对每个变量，我们再计算它的对齐偏移量(Aligned Offset)，它是一个变量从块起始位置的字节偏移量。一个变量的对齐字节偏移量必须等于基准对齐量的倍数

layout (std140) uniform ExampleBlock
{
                     // 基准对齐量       // 对齐偏移量
    float value;     // 4               // 0 
    vec3 vector;     // 16              // 16  (必须是16的倍数，所以 4->16)
    mat4 matrix;     // 16              // 32  (列 0)
                     // 16              // 48  (列 1)
                     // 16              // 64  (列 2)
                     // 16              // 80  (列 3)
    float values[3]; // 16              // 96  (values[0])
                     // 16              // 112 (values[1])
                     // 16              // 128 (values[2])
    bool boolean;    // 4               // 144
    int integer;     // 4               // 148
}; 

使用计算后的偏移量值，根据std140布局的规则，我们就能使用像是glBufferSubData的函数将变量数据按照偏移量填充进缓冲中了。虽然std140布局不是最高效的布局，但它保证了内存布局在每个声明了这个Uniform块的程序中是一致的。
通过在Uniform块定义之前添加layout (std140)语句，我们告诉OpenGL这个Uniform块使用的是std140布局。除此之外还可以选择两个布局，但它们都需要我们在填充缓冲之前先查询每个偏移量。我们已经见过shared布局了，剩下的一个布局是packed。当使用紧凑(Packed)布局时，是不能保证这个布局在每个程序中保持不变的（即非共享），因为它允许编译器去将uniform变量从Uniform块中优化掉，这在每个着色器中都可能是不同的

使用Uniform缓冲

首先，我们需要调用glGenBuffers，创建一个Uniform缓冲对象。
一旦我们有了一个缓冲对象，我们需要将它绑定到GL_UNIFORM_BUFFER目标，并调用glBufferData，分配足够的内存

unsigned int uboExampleBlock;
glGenBuffers(1, &uboExampleBlock);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 152, NULL, GL_STATIC_DRAW); // 分配152字节的内存
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

现在，每当我们需要对缓冲更新或者插入数据，我们都会绑定到uboExampleBlock，并使用glBufferSubData来更新它的内存。我们只需要更新这个Uniform缓冲一次，所有使用这个缓冲的着色器就都使用的是更新后的数据了。但是，如何才能让OpenGL知道哪个Uniform缓冲对应的是哪个Uniform块呢？

在OpenGL上下文中，定义了一些绑定点(Binding Point)，我们可以将一个Uniform缓冲链接至它。在创建Uniform缓冲之后，我们将它绑定到其中一个绑定点上，并将着色器中的Uniform块绑定到相同的绑定点，把它们连接到一起。下面的这个图示展示了这个：

你可以看到，我们可以绑定多个Uniform缓冲到不同的绑定点上。因为着色器A和着色器B都有一个链接到绑定点0的Uniform块，它们的Uniform块将会共享相同的uniform数据，uboMatrices，前提条件是两个着色器都定义了相同的Matrices Uniform块

为了将Uniform块绑定到一个特定的绑定点中，我们需要调用glUniformBlockBinding函数，它的第一个参数是一个程序对象，之后是一个Uniform块索引和链接到的绑定点

Uniform块索引是着色器中已定义Uniform块的位置值索引。这可以通过调用glGetUniformBlockIndex来获取，它接受一个程序对象和Uniform块的名称。我们可以用以下方式将图示中的Lights Uniform块链接到绑定点2：

unsigned int lights_index = glGetUniformBlockIndex(shaderA.ID, "Lights");   
glUniformBlockBinding(shaderA.ID, lights_index, 2);

注意我们需要对每个着色器重复这一步骤。

从OpenGL 4.2版本起，你也可以添加一个布局标识符，显式地将Uniform块的绑定点储存在着色器中，这样就不用再调用glGetUniformBlockIndex和glUniformBlockBinding了。下面的代码显式地设置了Lights Uniform块的绑定点。

layout(std140, binding = 2) uniform Lights { ... };

接下来，我们还需要绑定Uniform缓冲对象到相同的绑定点上，这可以使用glBindBufferBase或glBindBufferRange来完成。

glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 2, uboExampleBlock); 
// 或
glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 2, uboExampleBlock, 0, 152);

glBindbufferBase需要一个目标，一个绑定点索引和一个Uniform缓冲对象作为它的参数。这个函数将uboExampleBlock链接到绑定点2上，自此，绑定点的两端都链接上了。

也可以使用glBindBufferRange函数，它需要一个附加的偏移量和大小参数，这样子你可以绑定Uniform缓冲的特定一部分到绑定点中。通过使用glBindBufferRange函数，你可以让多个不同的Uniform块绑定到同一个Uniform缓冲对象上

现在，所有的东西都配置完毕了，我们可以开始向Uniform缓冲中添加数据了。
只要我们需要，就可以使用glBufferSubData函数，用一个字节数组添加所有的数据，或者更新缓冲的一部分。要想更新uniform变量boolean，我们可以用以下方式更新Uniform缓冲对象：

glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock);
int b = true; // GLSL中的bool是4字节的，所以我们将它存为一个integer
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 144, 4, &b); 
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

一个简单的例子

如果我们回头看看之前所有的代码例子，我们不断地在使用3个矩阵：投影、观察和模型矩阵。
在所有的这些矩阵中，只有模型矩阵会频繁变动。如果我们有多个着色器使用了这同一组矩阵，那么使用Uniform缓冲对象可能会更好。
我们会将投影和模型矩阵存储到一个叫做Matrices的Uniform块中

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;

layout (std140) uniform Matrices
{
    mat4 projection;
    mat4 view;
};
uniform mat4 model;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

我们将在例子程序中，显示4个立方体，每个立方体都是使用不同的着色器程序渲染的。这4个着色器程序将使用相同的顶点着色器，但使用的是不同的片段着色器，每个着色器会输出不同的颜色。

首先，我们将顶点着色器的Uniform块设置为绑定点0。注意我们需要对每个着色器都设置一遍

unsigned int uniformBlockIndexRed    = glGetUniformBlockIndex(shaderRed.ID, "Matrices");
unsigned int uniformBlockIndexGreen  = glGetUniformBlockIndex(shaderGreen.ID, "Matrices");
unsigned int uniformBlockIndexBlue   = glGetUniformBlockIndex(shaderBlue.ID, "Matrices");
unsigned int uniformBlockIndexYellow = glGetUniformBlockIndex(shaderYellow.ID, "Matrices");  

glUniformBlockBinding(shaderRed.ID,    uniformBlockIndexRed, 0);
glUniformBlockBinding(shaderGreen.ID,  uniformBlockIndexGreen, 0);
glUniformBlockBinding(shaderBlue.ID,   uniformBlockIndexBlue, 0);
glUniformBlockBinding(shaderYellow.ID, uniformBlockIndexYellow, 0);

接下来，我们创建Uniform缓冲对象本身，并将其绑定到绑定点0：

unsigned int uboMatrices
glGenBuffers(1, &uboMatrices);

glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboMatrices);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 2 * sizeof(glm::mat4), NULL, GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, uboMatrices, 0, 2 * sizeof(glm::mat4));

首先我们为缓冲分配了足够的内存，它等于glm::mat4大小的两倍。
GLM矩阵类型的大小直接对应于GLSL中的mat4。接下来，我们将缓冲中的特定范围（在这里是整个缓冲）链接到绑定点0

剩余的就是填充这个缓冲了。如果我们将投影矩阵的视野(Field of View)值保持不变（所以摄像机就没有缩放了），我们只需要将其在程序中定义一次——这也意味着我们只需要将它插入到缓冲中一次。因为我们已经为缓冲对象分配了足够的内存，我们可以使用glBufferSubData在进入渲染循环之前存储投影矩阵：

glm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float)width/(float)height, 0.1f, 100.0f);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboMatrices);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, sizeof(glm::mat4), glm::value_ptr(projection));
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

这里我们将投影矩阵储存在Uniform缓冲的前半部分。在每次渲染迭代中绘制物体之前，我们会将观察矩阵更新到缓冲的后半部分：

glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();           
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboMatrices);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), glm::value_ptr(view));
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

Uniform缓冲对象的部分就结束了。每个包含了Matrices这个Uniform块的顶点着色器将会包含储存在uboMatrices中的数据。所以，如果我们现在要用4个不同的着色器绘制4个立方体，它们的投影和观察矩阵都会是一样的。

glBindVertexArray(cubeVAO);
shaderRed.use();
glm::mat4 model;
model = glm::translate(model, glm::vec3(-0.75f, 0.75f, 0.0f));  // 移动到左上角
shaderRed.setMat4("model", model);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);        
// ... 绘制绿色立方体
// ... 绘制蓝色立方体
// ... 绘制黄色立方体 

唯一需要设置的uniform只剩model uniform了
像这样的场景中使用Uniform缓冲对象会让我们在每个着色器中都剩下一些uniform调用。最终的结果会是这样的：

Uniform缓冲对象比起独立的uniform有很多好处。
第一，一次设置很多uniform会比一个一个设置多个uniform要快很多。
第二，比起在多个着色器中修改同样的uniform，在Uniform缓冲中修改一次会更容易一些。
最后一个好处可能不会立即显现，如果使用Uniform缓冲对象的话，你可以在着色器中使用更多的uniform。OpenGL限制了它能够处理的uniform数量，这可以通过GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_COMPONENTS来查询。当使用Uniform缓冲对象时，最大的数量会更高。所以，当你达到了uniform的最大数量时（比如再做骨骼动画(Skeletal Animation)的时候），你总是可以选择使用Uniform缓冲对象。