OpenGL核心理解：Uniform

简介：

着色器的变量主要包含如下：

• 顶点属性(Vertex Attributes):
  • 顶点着色器：输入
• 统一变量(Uniform Variables)：
  • 所有着色器：输入
• 采样器(Samplers)：
  • 片段着色器：输入
• Varying Variables：
  • 顶点着色器：输出
  • 片段着色器：输入

这里我们要介绍的是统一变量

一. Uniform 是什么

统一变量是着色器程序(Program)特定的变量，在整个着色器程序的执行过程中（单次渲染：各种着色器），和多个物体执行中（多次渲染），都可以访问并可以保持一致（如果不主动设置，如多个物体的渲染中光源属性）。之所以叫统一，主要区别于其他变量：

• 顶点属性：仅顶点着色器可以访问，每次渲染数据基本不同（每物体顶点不同）
• Varying Variables：由顶点着色器创建，输出到片段着色器，每片段着色器不同
• 采样器：属于 Uniform

二. Uniform 有什么作用

统一变量主要用于为各种渲染类型（着色器）提供控制与输入

• 控制
  • 开关：用于切换功能开启。比如gamma矫正，模糊效果的开关。。。
  • 摄像机： 用于控制镜头。比如模型，视图，投影矩阵。。。
• 输入
  • 材质：用于表达材质的属性。比如粗糙度，金属度。。。
  • 光源属性：用于表述光源的性质。比如位置，强度，颜色。。。

三. 什么时候使用？

一般在场景的初始时需要使用uniform，用于光源设置。更新时需要设置的情况如下：

• 操作摄像机时
• 渲染物体，或动态材质变化时
• 动态光源变化时

四. 如何使用？

• 单项设置
  1. 获取位置：单项设置需要在着色器程序（Program）编译后，根据着色器中的变量名称获取相应位置，使用函数 glGetUniformLocation
  2. 同步数据（内存->显存）：根据获取的位置，按照数据类型同步数据，使用函数 glUniform*，如 glUniform1f
• 批量同步（使用 统一变量块：Uniform Block）
  1. 获取位置：需要在着色器程序（Program）编译后，根据 统一变量块 在着色器中的名称获取索引，使用函数 glGetUniformBlockIndex
  2. 绑定到统一变量缓冲（类似于顶点缓冲，是显存中的一块数据），使用函数 glUniformBlockBinding 将着色器的 统一变量块 绑定到指定序号的统一变量缓冲中
  3. 同步数据：这里区别于单项设置，是将数据同步到缓冲中。由于是绑定，可以多个着色器绑定到同一缓冲中，所以只需要操作一次，并且可以整块数据同步。使用函数 glBufferSubData

五. 实例

• 单项设置
  1. 先在着色器中添加变量

      uniform mat4 project;
  

  2. 根据添加的名称在代码中获取位置, program 是已编译的着色器程序

      int32_t location = glGetUniformLocation(program, "project");
  

  3. 同步数据，这里使用了 glm 库

      glUniformMatrix4fv(location, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(project));
  

• 批量同步
  • 批量同步有些复杂，首先它需要在显存创建缓冲区，并且同步数据时需要选择数据的布局方式，不同的布局数据的对齐方式不同，这就导致了同步数据时方案的不同，这里我使用了std140 （内存中的变量对齐与显存中变量对齐存在差异）
    • 它的每个成员变量都有一个基础偏移（距离结构体起始地址的偏移量），和一个基础对齐（变量占用的空间需要对齐）。
    • 根据基础偏移量计算基础对齐（就是说成员变量的顺序会影响每个变量占用的空间大小），方法是将基础偏移舍入到基础对齐的整数倍（下一个变量的偏移量等于当前变量基础对齐的N倍，细节请查询参考手册）。
    • 统一变量缓冲块的对齐，假如想使用一个缓冲存储多块（还可以创建多个缓冲，但都使用0号统一变量块），它也会产生一个对齐。可以通过查询系统信息获取对齐大小

        GLint BlockAlienment = 0;
        glGetIntegerv(GL_UNIFORM_BUFFER_OFFSET_ALIGNMENT, &BlockAlienment);
    

• 项目链接
  • Opengl教程
    • 该项目需要使用 premake 生成VS项目, 如果不了解可以看下前文链接

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参考手册：OpenGL 官方手册

前文链接：c++ 轻量跨平台构建系统 Premake