Vertex Shader

一、Vertex Shader简介

       前面一直有出现Vertex Shader，但Vertex Shader一直犹抱琵琶半遮面的感觉，本文将彻底揭开其面纱，看个清清楚楚、明明白折，以满足自己的好奇心。Vertex Shader在OpenGL ES 2.0的管道中的位置如下图所示：

       本节将描述以下内容：

       1）Vertex Shader的输入和输出

       2）Vertex Shader的可移植性问题

       3）Vertex Shader的例子

二、Vertex Shader的输入/输出和操作对象

       Vertex Shader的操作对象是“顶点”。其输入/输出如下图所示：

     Vertex Shader输入：

     • Attributes：通过Vertex Arrays提供的每个顶点的数据
     • Uniforms：由Vertex Shader使用的常量数据

     Vertex Shader程序：
     • Shader program：Vertex Shader的可执行程序，它描述将在顶点上执行的操作

     Vertex Shader输出：

     • varying变量：Vertex Shader的输出叫做varying变量，它有以下两个用处：

       1）用于计算产生fragment

       2）作为Fragment Shader的输入

三、Vertex Shader的内嵌变量

       它包括以下几种内嵌变量：

        • 特别变量：被Vertex Shader作为输出

        • uniform状态：如深度范围

        • 指定最大值的常量：如attribute个数、varying个数、uniforms个数

1. 特殊变量（Built-In Special Variables）

        它作为Vertex Shader的输出、且作为Fragment Shader的输入，可用特别变量如下：

        • gl_Position：它以裁剪坐标的方式输出“顶点位置”，且是一个highp变量。 

        • gl_PointSize：它以像素为单位输出“点的大小”，其值被限制在OpenGL ES 2.0可实现的范围内，且是一个mediump变量。

        • gl_FrontFacing：它不直接由Vertex Shader写，是一个boolean变量。

2. Uniform状态变量（Built-In Uniform State）

       • gl_DepthRange：是Vertex Shader中唯一的一个Uniform状态变量，它以窗口坐标来表示深度范围。其数据类型如下：   

       struct gl_DepthRangeParameters {
                 highp float near; // near Z
                 highp float far; // far Z
                 highp float diff; // far - near
       } 

       uniform gl_DepthRangeParameters gl_DepthRange;

 3. 常量（Built-In Constants）

       Vertex Shader中指定最大值的常量如下：

       const mediump int gl_MaxVertexAttribs = 8;
       const mediump int gl_MaxVertexUniformVectors = 128;
       const mediump int gl_MaxVaryingVectors = 8;
       const mediump int gl_MaxVertexTextureImageUnits = 0;
       const mediump int gl_MaxCombinedTextureImageUnits = 8;

       1）gl_MaxVertexAttribs

            指示支持的Vertex Attribute的最大值，其值最小为8。

       2）gl_MaxVertexUniformVectors

            指示Vertex Shader最多支持多少个vec4 uniform，其值最小为128。

       3）gl_MaxVaryingVectors

             Vertex Shader最多可以输出多少个vec4变量，其值最小为8。

       4）gl_MaxVertexTextureImageUnits

            Vertex Shader最多支持多少个纹理单元，其值最小为0，即不支持顶点纹理获取。

       5）gl_MaxCombinedTextureImageUnits

            Vertex Shader和Fragment Shader总共最多支持多少个纹理单元，其值最小为8。

       在具体的硬件平台上，可通过以下代码获取当前可支持的最大值：       

    GLint maxVertexAttribs, maxVertexUniforms, maxVaryings;
    GLint maxVertexTextureUnits, maxCombinedTextureUnits;
    glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &maxVertexAttribs);
    glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_VECTORS, &maxVertexUniforms);
    glGetIntegerv(GL_MAX_VARYING_VECTORS, &maxVaryings);
    glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_TEXTURE_IMAGE_UNITS,&maxVertexTextureUnits);
    glGetIntegerv(GL_MAX_COMBINED_TEXTURE_IMAGE_UNITS,&maxCombinedTextureUnits);

        4. 精度限制 （Precision Qualifiers）

            在Vertex Shader中，如果没有指定默认的精度，则float和int的精度为highp。在Vertex Shader中，除color和lighting计算为mediump之外，其它的都为highp。

四、OpenGL ES 2.0 Vertex Shader限制

       为了让Shader Source可以大部分平台上进行运行（即可移植性好），需要参加以下限制。

       1. Vertex Shader长度

           目前没有办法获得具体平台可支持的最大指令数，但如果Shader source超过其限制，则编译会失败。

       2. 临时变量（函数内局部变量）的个数

           也没有指定最大数，但如果Shader source超过其限制，则编译会失败。

       3. 流程控制

           • 对于for循环，有以下限制：

           1）只能有一个循环变量

           2）循环变量必须被常量表达式初始化

           3）条件判断必须为下面的一种：

        loop_indx < constant_expression
        loop_indx <= constant_expression
        loop_indx > constant_expression
        loop_indx >= constant_expression
        loop_indx != constant_expression
        loop_indx == constant_expression

           4）循环变量必须通过以下方式来进行修改，且只能在循环表达式内部修改，不能在循环体内修改

        loop_index--
        loop_index++
        loop_index -= constant_expression
        loop_index += constant_expression

           5）循环变量在循环体内部，只能做为函数的只读参数。
           注：while和do-while循环不支持。

           • 对于if-else判断语句，其条件判断bool_expression必须为scalar boolean value。