Cocos2dx引擎11-OpenGLES渲染之Shader准备

Cocos2dx底层图形绘制是使用OpenGL ES协议的。OpenGL ES是什么呢?

OpenGL ES(OpenGl for Embedded System)是OpenGL三维图形API的子集,针对手机,PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计.该API有Khronos集团定义推广,Khronos是一个图形软硬件行业协会,该协会主要关注图形和多媒体方面的开放标准.

OpenGL ES是从OpenGL剪裁或定制过来了,去除了glBegin/glEnd,四边形(GL_QUADS),多边形(GL_POLYGON)等复杂图元等许多非必要的特性.经过多年发展,现在主要有两个版本,OpenGLES1.x针对固定管线硬件,OpenGL ES2.x针对可编程管线硬件.OpenGL ES1.0是以OpenGL1.3规范为基础的,OpenGL ES1.1是以OpenGL1.5为基础的,他们分别又支持common和commonlite两种profile.OpenGL ES2.0是参照OpenGL2.0规范定义的.

从Cocos2dx 2.x版本开始，Cocos2dx底层图形渲染使用OpenGL ES2.x新特性可编程着色器(Shader),下面首先介绍Shader的使用流程

xxxxx… //Shader程序

1、创建着色器对象

glCreateShader

2、着色器对象关联着色器代码

glShaderSource

3、把着色器源代码编译成目标代码

glCompileShader

4、验证着色器是否已经变异通过

glGetShaderiv glGetShaderInfoLog

5、创建一个着色器程序

glCreatePragram

6、把着色器链接到着色器程序中

glAttachShader

7、链接着色器程序

glLinkProgram

8、验证着色器程序是否链接成功

glGetProgramiv glGetProgramInfoLog

9、使用着色器程序进行定点或片段处理

glUseProgram

在Cocos2dx引擎中GLProgramCache类扮演着一个重要的角色，初始化并且保存Shader程序；并且为需要渲染的元素提供需要的Shader程序；

classCC_DLL GLProgramCache : public Ref
{
public:
    /**
     * @构造函数
     */
    GLProgramCache();
    /**
     * @析构函数
     */
    ~GLProgramCache();
  
    /** 单例方法 */
    static GLProgramCache* getInstance();
  
    /**清除单例*/
    static void destroyInstance();
  
    /**加载Shader程序*/
    void loadDefaultGLPrograms();
    CC_DEPRECATED_ATTRIBUTE void loadDefaultShaders(){ loadDefaultGLPrograms(); }
  
    /**重新加载Shader程序 */
    void reloadDefaultGLPrograms();
    CC_DEPRECATED_ATTRIBUTE void reloadDefaultShaders(){ reloadDefaultGLPrograms(); }
  
    /** 使用Key获取Shader程序
     */
    GLProgram * getGLProgram(const std::string &key);
    CC_DEPRECATED_ATTRIBUTE GLProgram * getProgram(conststd::string &key) { return getGLProgram(key); }
    CC_DEPRECATED_ATTRIBUTE GLProgram * programForKey(conststd::string &key){ return getGLProgram(key); }
  
    /** 将Shader程序加入GLProgramCache单例中 */
    void addGLProgram(GLProgram* program, conststd::string &key);
    CC_DEPRECATED_ATTRIBUTE void addProgram(GLProgram*program, const std::string &key) { addGLProgram(program, key); }
  
private:
    bool init();
    void loadDefaultGLProgram(GLProgram *program,int type);
  
//使用字典programs保存所有的Shader程序
    std::unordered_map_programs;
};

下面为单例方法getInstance：

staticGLProgramCache *_sharedGLProgramCache = 0;
GLProgramCache*GLProgramCache::getInstance()
{
    if (!_sharedGLProgramCache) {
        _sharedGLProgramCache = new GLProgramCache();
        if (!_sharedGLProgramCache->init())
        {
            CC_SAFE_DELETE(_sharedGLProgramCache);
        }
    }
    return _sharedGLProgramCache;
}

1、 第一次调用GLProgramCache::getInstance()方法时会new一个GLProgramCache实例方法

2、 初始化GLProgramCache实例方法

3、 方法单例_sharedGLProgramCache

下面为GLProgramCache的init方法：

boolGLProgramCache::init()
{   
    loadDefaultGLPrograms();
    return true;
}
voidGLProgramCache::loadDefaultGLPrograms()
{
    GLProgram *p = new GLProgram();
loadDefaultGLProgram(p, kShaderType_PositionTextureColor);_programs.insert( std::make_pair( GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_TEXTURE_COLOR,p ) );
……
}
 

1、在GLProgramCache::init中会调用加载Shader方法loadDefaultGLPrograms

2、在loadDefaultGLPrograms方法中首先会创建一个GLProgram对象

3、将对应名称的Shader加载到GLProgram对象中

4、将GLProgram对象插入到字典_programs中

在loadDefaultGLProgram方法中：

voidGLProgramCache::loadDefaultGLProgram(GLProgram *p, int type)
{
    switch (type) {
        case kShaderType_PositionTextureColor:
            p->initWithByteArrays(ccPositionTextureColor_vert,ccPositionTextureColor_frag);
            break;
        ………
        default:
            CCLOG("cocos2d: %s:%d, errorshader type", __FUNCTION__, __LINE__);
            return;
    }
    
    p->link();
    p->updateUniforms();
    
    CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
}

1、 根据GLProgram类型使用对应的shader程序初始化GLProgram；在initWithByteArrays中，会将上述Shader使用流程中1-6不走执行

2、 链接Program

3、 获取该Program中的一些Uniform变量，工后续使用

下面看一下Cocos2dx中Shader程序的保存方式：

在cocos2d\cocos\renderer\ccShaders.cpp中:

#include"ccShader_Position_uColor.frag"
#include"ccShader_Position_uColor.vert"
……

ccShader_Position_uColor.vert文件：

constchar* ccPosition_uColor_vert = STRINGIFY(
  
attributevec4 a_position;
uniformvec4 u_color;
uniformfloat u_pointSize;
  
\n#ifdefGL_ES\n
varyinglowp vec4 v_fragmentColor;
\n#else\n
varyingvec4 v_fragmentColor;
\n#endif\n
  
voidmain()
{
    gl_Position = CC_MVPMatrix * a_position;
    gl_PointSize = u_pointSize;
    v_fragmentColor = u_color;
}
);
 

这里定义了ccPosition_uColor_vert变量，该顶点着色器的功能室使用矩阵计算OpenGL中顶点的位置；

ccShader_Position_uColor.frag文件：

constchar* ccPosition_uColor_frag = STRINGIFY(
  
\n#ifdefGL_ES\n
precisionlowp float;
\n#endif\n
  
varyingvec4 v_fragmentColor;
  
voidmain()
{
    gl_FragColor = v_fragmentColor;
}
);

这里定义了ccPosition_uColor_frag变量，该片段Shader的功能就是设置顶点的颜色；

上面两段Shader程序会字符串的形式传入initWithByteArrays方法中，下面为initWithByteArrays方法：

boolGLProgram::initWithByteArrays(const GLchar* vShaderByteArray, const GLchar* fShaderByteArray)
{
    ……//Windows平台单独设定
    _program = glCreateProgram();
    CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
  
    _vertShader = _fragShader = 0;
  
    if (vShaderByteArray)
    {
        if (!compileShader(&_vertShader, GL_VERTEX_SHADER,vShaderByteArray))
        {
            CCLOG("cocos2d: ERROR: Failedto compile vertex shader");
            return false;
       }
    }
  
    // Create and compile fragment shader
    if (fShaderByteArray)
    {
        if (!compileShader(&_fragShader, GL_FRAGMENT_SHADER,fShaderByteArray))
        {
            CCLOG("cocos2d: ERROR: Failedto compile fragment shader");
            return false;
        }
    }
  
    if (_vertShader)
    {
        glAttachShader(_program, _vertShader);
    }
    CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
  
    if (_fragShader)
    {
        glAttachShader(_program, _fragShader);
    }
    _hashForUniforms = nullptr;
    
    CHECK_GL_ERROR_DEBUG();
    ……//Windows平台单独设定
    return true;
}

1、如果顶点Shader不为空，编译顶点Shader

2、如果片段Shader不为空，编译片段Shader

3、将program和顶点Shader绑定

4、将program和片段Shader绑定

在compileShader方法中：

boolGLProgram::compileShader(GLuint * shader, GLenum type, const GLchar* source)
{
    GLint status;
    if (!source)  return false;   
const GLchar *sources[] = {
   ……//特殊平台需要的Uniform变量
        "uniform mat4 CC_PMatrix;\n"
        "uniform mat4 CC_MVMatrix;\n"
        "uniform mat4CC_MVPMatrix;\n"
        "uniform vec4 CC_Time;\n"
        "uniform vec4 CC_SinTime;\n"
        "uniform vec4 CC_CosTime;\n"
        "uniform vec4 CC_Random01;\n"
        "uniform sampler2DCC_Texture0;\n"
        "uniform sampler2DCC_Texture1;\n"
        "uniform sampler2DCC_Texture2;\n"
        "uniform sampler2DCC_Texture3;\n"
        "//CC INCLUDES END\n\n",
        source,
    };
  
    *shader = glCreateShader(type);
    glShaderSource(*shader, sizeof(sources)/sizeof(*sources),sources, nullptr);
    glCompileShader(*shader);
  
    glGetShaderiv(*shader, GL_COMPILE_STATUS, &status);
    if (! status) {
        GLsizei length;
        glGetShaderiv(*shader, GL_SHADER_SOURCE_LENGTH,&length);
        GLchar* src = (GLchar *)malloc(sizeof(GLchar)* length);
        
        glGetShaderSource(*shader, length, nullptr,src);
        CCLOG("cocos2d: ERROR: Failed tocompile shader:\n%s", src);
        
        if (type == GL_VERTEX_SHADER)
            CCLOG("cocos2d: %s", getVertexShaderLog().c_str());
        else
            CCLOG("cocos2d: %s", getFragmentShaderLog().c_str());
        free(src);
        return false;;
    }
    return (status == GL_TRUE);
}

1、在Shader程序字符串之前加入Shader执行时可能需要的Uniform变量，形成新的字符串

2、执行上述Shader使用流程中步骤1-3

3、验证该Shader有没有编译成功

此时Cocos2dx中需要使用到的Shader程序都已经准备好了，如何使用后面的博客中会继续讲述；对OpenGL Shader（GLSL）不是很了解的同学可以查询一下这方面的资料。