OpenGL ES之着色语言GLSL的使用说明及API

EGL(Embedded Graphics Library)

一、概念说明

• OpenGL ES 命令需要渲染上下文和绘制表面才能完成图形图像的绘制。
• 渲染上下文: 存储相关OpenGL ES 状态。
• 绘制表面: 是⽤于绘制图元的表面，它指定渲染所需要的缓存区类型，例如颜⾊缓存区、深度缓存区和模板缓存区。
• OpenGL ES API 并没有提供如何创建渲染上下⽂或者上下文如何连接到原⽣窗⼝系统。 EGL 是Khronos 渲染API(如OpenGL ES) 和原生窗⼝系统之间的接⼝。 唯⼀支持OpenGL ES 却不⽀持EGL 的平台是iOS。

二、EGL的主要功能

• 和本地窗⼝系统(native windowing system)通讯；
• 查询可⽤的配置；
• 创建OpenGL ES可用的“绘图表面”(drawing surface)；
• 同步不同类别的API之间的渲染，⽐如在OpenGL ES和OpenVG之间同步，或者在OpenGL和本地窗⼝的绘图命令之间；
• 管理“渲染资源”，比如纹理映射(rendering map)。

GLSL语法

一、简介

• GLSL（OpenGL Shading Language） 全称 OpenGL 着色语言，是用来在 OpenGL 中着色编程的语言，也即开发人员写的短小的自定义程序，他们是在图形卡的 GPU上执行的，代替了固定的渲染管线的一部分，使渲染管线中不同层次具有可编程性。
• GLSL 其使用 C 语言作为基础高阶着色语言，避免了使用汇编语言或硬件规格语言的复杂性。

二、变量命名

GLSL 的变量命名方式与 C 语言类似，可使用字母，数字以及下划线，不能以数字开头。还需要注意的是，变量名不能以 gl_ 作为前缀，这个是GLSL 保留的前缀，用于GLSL 的内部变量。

三、数据类型说明

• 向量数据类型

类型	说明
vec2,vec3,vec4	2分量、3分量、4分量浮点向量
ivec2,ivec3,ivec4	2分量、3分量、4分量整型向量
uvec2,uvec3,uvec4	2分量、3分量、4分量⽆符号整型向量
bvec2,bvec3,bvec4	2分量、3分量、4分量bool型向量

• 矩阵数据类型

类型	说明
mat2,mat2x2	两⾏两列
mat3,mat3x3	三⾏三列
mat4,mat4x4	四行四列
mat2x3	三⾏两列
mat2x4	四⾏两列
mat3x2	两行三列
mat3x4	四⾏三列
mat4x2	两行四列
mat4x3	三⾏四列

• 变量存储限定符

限定符	说明
< none >	只是普通的本地变量，外部不见，外部不可访问
const	⼀个编译常量，或者说是一个对函数来说为只读的参数
in/varying	从以前阶段传递过来的变量
in/varying centroid	一个从以前的阶段传递过来的变量，使⽤质⼼插值
out/attribute	传递到下⼀个处理阶段或者在⼀个函数中指定一个返回值
out/attribute centroid	传递到下⼀个处理阶段，质⼼插值
uniform	⼀个从客户端代码传递过来的变量，在顶点之间不做改变

• GLenum glGetError(void)：如果不正确使用OpenGL ES 命令，应用程序就会产生一个错误编码，且会被记录，可以用glGetError查询，一旦查询到错误代码，当前的错误代码就会复位为GL_NO_ERROR。

错误代码	说明
GL_NO_ERROR	从上一次调⽤ glGetError 以来没有⽣成任何错误
GL_INVALID_ENUM	GLenum 参数超出范围，忽略生成错误命令
GL_INVALID_VALUE	数值型 参数超出范围，忽略⽣成错误命令
GL_INVALID_OPERATION	特定命令在当前OpenGL ES 状态⽆法执⾏
GL_OUT_OF_MEMORY	内存不⾜时执行该命令，如果遇到这个错误，除⾮当前错误代码，否则OpenGL ES 管线的状态被认为未定义

四、vsh和fsh的示例说明

① 什么是vsh和fsh？

• Xcode中不支持GLSL语言对顶点、片元着色器的编译和连接，因此需要在项目中创建两个空文件，分别命名为shader.vsh和shaderv.fsh；
• shader.vsh和shaderv.fsh中的vsh和fsh只是区分“顶点着色器”和“片元着色器”类；（可以随意更改，仅为一个字符串）

② 顶点坐标（vsh）

attribute vec4 position;
attribute vec2 textCoordinate;
varying lowp vec2 varyTextCoord;

void main() {
    varyTextCoord = textCoordinate;
    gl_Position = position;
}

• 数据修饰类型常用uniform、attribute、varying三种；
• uniform：OC或Swift代码传递到vertex、fragment（常量，一般不修改）；可以传递视图矩阵、投影矩阵、投影视图矩阵，
• attribute：数据只能从客户端中传递到顶点着色器，且只能在顶点着色器中使用；常用来修饰顶点、纹理坐标、颜色、法线等数据；
• varying：当需要将顶点着色器的数据传递到片元着色器时，两个着色器中一样的纹理坐标变量就需要它来修饰。

③ 纹理渲染（fsh）

// 需要定义精度，防止报错
precsion highp float;
// 纹理坐标：必须与顶点着色器中一样，通过这个参数获取传递过来的值
varying lowp vec2 varyTextCoord;
// 纹理
uniform sampler2D colorMap;   

void main(){
    // 拿到纹理对应坐标下的纹素，纹素是纹理对应像素点的颜色值
    lowp vec4 temp = texture2D(colorMap, varyTextCoord);
    
    // 内建变量：gl_FragColor
    gl_FragColor = temp；
} 

• 片元着色器中最终颜色，即拿到纹理对应坐标下的纹素。纹素是纹理对应像素点的颜色值，需要通过内建函数texture2D(纹理，纹理坐标)计算，将最终返回的颜色值赋值给内建变量gl_FragColor。

五、着⾊器与程序

① 主要步骤

需要创建2个基本对象才能⽤着色器进行渲染： 着⾊器对象和程序对象；获取链接后着⾊器对象的一般过程包括6个步骤:

• 创建⼀个顶点着⾊器对象和⼀个⽚段着⾊器对象；
• 将源代码链接到每个着⾊器对象；
• 编译着⾊器对象；
• 创建⼀个程序对象；
• 将编译后的着⾊器对象连接到程序对象；
• 链接程序对象。

② 创建与编译一个着色器

• 创建着色器

GLuint glCreateShader(GLenum type);
type — 创建着⾊器的类型,GL_VERTEX_SHADER 或者 GL_FRAGMENT_SHADER
返回值 — 是指向新着⾊器对象的句柄,可以调⽤ glDeleteShader 删除 

void glDeleteShader(GLuint shader);
shader — 要删除的着⾊器对象句柄

void glShaderSource(GLuint shader , GLSizei count ,const GLChar * const *string, const GLint *length);
shader — 指向着⾊器对象的句柄
count — 着⾊器源字符串的数量,着⾊器可以由多个源字符串组成,但是每个着⾊器只有一个main函数 string — 指向保存数量的 count 的着⾊器源字符串的数组指针
length — 指向保存每个着⾊器字符串大小且元素数量为 count 的整数组指针

• 编译着色器

void glCompileShader(GLuint shader); 
shader — 需要编译的着⾊器对象句柄

void glGetShaderiv(GLuint shader , GLenum pname , GLint *params );
shader — 需要编译的着⾊器对象句柄
pname — 获取的信息参数,可以为 GL_COMPILE_STATUS/GL_DELETE_STATUS/ GL_INFO_LOG_LENGTH/GL_SHADER_SOURCE_LENGTH/ GL_SHADER_TYPE
params — 指向查询结果的整数存储位置的指针.

void glGetShaderInfolog(GLuint shader , GLSizei maxLength, GLSizei *length , GLChar *infoLog);
shader — 需要获取信息⽇志的着⾊器对象句柄
maxLength — 保存信息⽇志的缓存区⼤小
length — 写⼊的信息日志的⻓度(减去 null 终⽌符); 如果不需要知道长度，这个参数可以为Null 
infoLog — 指向保存信息日志的字符缓存区的指针

③ 创建与链接程序

• 创建

GLUint glCreateProgram( )
创建⼀个程序对象
返回值: 返回⼀个执行新程序对象的句柄

void glDeleteProgram( GLuint program ) 
program : 指向需要删除的程序对象句柄

// 着⾊器与程序连接/附着
void glAttachShader( GLuint program , GLuint shader );
program : 指向程序对象的句柄
shader : 指向程序连接的着⾊器对象的句柄
// 断开连接
void glDetachShader(GLuint program);
program : 指向程序对象的句句柄
shader : 指向程序断开连接的着⾊器对象句柄

• 链接程序

glLinkProgram(GLuint program) 
program: 指向程序对象句柄
链接程序之后, 需要检查链接是否成功. 你可以使用 glGetProgramiv 检查链接状态: 
void glGetProgramiv (GLuint program,GLenum pname, GLint *params);
program: 需要获取信息的程序对象句柄 
pname : 获取信息的参数,可以是:
		GL_ACTIVE_ATTRIBUTES 
		GL_ACTIVE_ATTRIBUTES_MAX_LENGTH 
		GL_ACTIVE_UNIFORM_BLOCK 
		GL_ACTIVE_UNIFORM_BLOCK_MAX_LENGTH 
		GL_ACTIVE_UNIFROMS 
		GL_ACTIVE_UNIFORM_MAX_LENGTH 
		GL_ATTACHED_SHADERS 
		GL_DELETE_STATUS
		GL_INFO_LOG_LENGTH
		GL_LINK_STATUS 
		GL_PROGRAM_BINARY_RETRIEVABLE_HINT 
		GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER_MODE 
		GL_TRANSFORM_FEEDBACK_VARYINGS 
		GL_TRANSFORM_FEEDBACK_VARYING_MAX_LENGTH 
		GL_VALIDATE_STATUS
params : 指向查询结果整数存储位置的指针