细谈Open GL里的Program和Shader

Program和Shader对象

Program相当于当前渲染管线所使用的程序，是Shader得容器，可以挂载多个Shader.

Shader相当于一个C模块，首先需要对Shader脚本进行编译，然后将编译好的Shader挂载到Program上，在OpenGL的渲染中使用Program来使Shader生效。

Vertex Shader负责将顶点数据进一步处理 ，Fragment Shader将像素数据进一步处理。所以Vertex Shader中的代码针对每个点都会调用一次，Fragment Shader中的代码针对每个像素都会调用一次。

 

创建Shader的流程如下：

1、调用glCreateShader()创建一个Shader对象;

2、调用glShaderSource()创建加载Shader脚本源码；

3、调用glCompileShader()编译Shader脚本；

 

创建Program的流程如下：

1、调用glCreateProgram()创建一个Program对象；

2、调用glAttachShader()将创建好的Shader进行挂载;

3、调用glLinkProgram()执行链接操作；

4、最后在需要使用Shader时，调用glUseProgram()应用当前Shader;

 

着色(Shader)语言:

着色语言是一种类C的编程语言，但不支持double,byte,short,long,并且取消了C中的union,enum,unsigned以及位运算等特性。着色语言中有许多内建的原生数据类型以及构建数据类型，如：浮点型(float)、布尔型(bool)、整型(int)、矩阵型(matrix)以及向量型(vec2、vec3等)等。总体来说，这些数据类型可以分为标量、向量、矩阵、采样器、结构体以及数组等。

支持的数据类型如下：

float bool int   基本数据类型

Vec2      包含了2个浮点数的向量

Vec3      包含了3个浮点数的向量

Vec4      包含了4个浮点数的向量

Ivec2      包含了2个整数的向量

ivec3      包含了3个整数的向量

ivec4      包含了4个整数的向量

bvec2               包含了2个布尔数的向量

bvec3               包含了3个布尔数的向量

bvec4               包含了4个布尔数的向量

mat2                2*2维矩阵

mat3                3*3维矩阵

mat4                4*4维矩阵

sampler1D           1D纹理采样器

sampler2D           2D纹理采样器

sampler3D           3D纹理采样器

 

Vertex Shader的语法

变量类型 + 变量数据类型 + 变量名

变量类型有三种：

1、attribute: 就是顶点数据(Vertex Data)包含的属性，位置，颜色或其他，顶点数据包含多少属性，这里就可以写多少，通过glEnableVertexAttribArray和glVertexAttribPointer激活和传值。

2、varying: 传递给Fragment Shader的变量，Fragment Shader是无法直接接受顶点数据的，因为它处理的是像素级别的数据。传递给Fragment Shader的值是根据像素位置差值计算之后的值。

3、uniform: 可以理解为全局变量，所有顶点处理程序共享这个变量。

变量数据类型有（见上面数据类型介绍）

 

 

顶点着色器介绍

1.1 顶点着色器示例代码

uniform mat4 uMVPMatrix; //应用程序传入顶点着色器的总变换矩阵

Attribute vec4 aPosition;     //应用程序传入顶点着色器的顶点位置

Attribute vec2 aTextureCoord;//应用程序传入顶点着色器的顶点纹理坐标

Attribute vec4 aColor; //应用程序传入顶点着色器的顶点颜色变量

varying vec4 vColor; //用于传递给片元着色器的顶点颜色数据

Varying vec2 vTextureCoord; //用于传递给片元着色器的顶点纹理数据

void main()

{

gl_Position = uMVPMatrix * aPosition;  //根据总变换矩阵计算此次绘制此顶点位置

vColor = aColor; //将顶点颜色数据传入片元着色器

vTextureCoord = aTextureCoord;  //将接受的纹理坐标传递给片元着色器

}

顶点着色器是一个可编程的处理单元，执行顶点变换、纹理坐标变换、光照、材质等顶点相关操作，每顶点执行一次。替代了传统渲染管线中顶点变换、光照以及纹理坐标的处理，开发人员可以根据自己的需求自行开发，大大增加了程序的灵活性。

顶点着色器主要是传入相应的Attribute变量、Uniforms变量、采样器以及临时变量，经过顶点着色器后生成Varying变量。如下图说是：

（1）attribute变量(属性变量)只能用于顶点着色器中，不能用于片元着色器。 一般用该变量来表示一些顶点数据，如：顶点坐标、纹理坐标、颜色等。

（2）uniforms变量(一致变量)用来将数据值从应用程其序传递到顶点着色器或者片元着色器。 该变量有点类似C语言中的常量（const），即该变量的值不能被shader程序修改。一般用该变量表示变换矩阵、光照参数、纹理采样器等。

（3）varying变量(易变变量)是从顶点着色器传递到片元着色器的数据变量。顶点着色器可以使用易变变量来传递需要插值的颜色、法向量、纹理坐标等任意值。 在顶点与片元shader程序间传递数据是很容易的，一般在顶点shader中修改varying变量值，然后片元shader中使用该值，当然，该变量在顶点及片元这两段shader程序中声明必须是一致的 。例如：上面代码中应用程序中由顶点着色器传入片元着色器中的vColor变量。

（4）gl_Position 为内建变量，表示变换后点的空间位置。 顶点着色器从应用程序中获得原始的顶点位置数据，这些原始的顶点数据在顶点着色器中经过平移、旋转、缩放等数学变换后，生成新的顶点位置。新的顶点位置通过在顶点着色器中写入gl_Position传递到渲染管线的后继阶段继续处理。

 

片元着色器介绍

1.1 片元着色器示例代码

precision mediump float;  //设置工作精度

Varying vec4 vColor;         //接收从顶点着色器过来的顶点颜色数据

Varying vec2 vTextureCoord; //接收从顶点着色器过来的纹理坐标

Uniform sampler2D sTexture;  //纹理采样器，代表一副纹理

Void main()

{

gl_FragColor = texture2D(sTexture, vTextureCoord) * vColor; //进行纹理采样

}

此片元着色器的主要功能为根据接收的记录片元纹理坐标的易变变量中的纹理坐标，调用texture2D内建函数从采样器中进行纹理采样，得到此片元的颜色值。最后，将采样到的颜色值传给gl_FragColor内建变量，完成片元的着色。

1.1 片元着色器介绍

片元着色器是一个处理片元值及其相关联数据的可编程单元，片元着色器可执行纹理的访问、颜色的汇总、雾化等操作，每片元执行一次。片元着色器替代了纹理、颜色求和、雾以及Alpha测试，这一部分是需要开发者自己开发的。

（1）varying指的是从顶点着色器传递到片元着色器的数据变量

（2）gl_FragColor为内置变量，用来保存片元着色器计算完成的片元颜色值，此颜色值将送入渲染管线的后继阶段进行处理。

 

二、加载着色器代码示例

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private int loadShader( int shaderType, String source) {   // 创建一个新shader   int shader = GLES20.glCreateShader(shaderType);   // 若创建成功则加载shader   if (shader != 0)   {     // 加载shader源代码     GLES20.glShaderSource(shader, source);     // 编译shader     GLES20.glCompileShader(shader);     // 存放编译成功shader数量的数组     int[] compiled = new int[1];     // 获取Shader的编译情况     GLES20.glGetShaderiv(shader, GLES20.GL_COMPILE_STATUS, compiled, 0);     if (compiled[0] == 0)     {       //若编译失败则显示错误日志并删除此shader       Log.e(TAG, "Could not compile shader " + shaderType + ":");       Log.e(TAG, GLES20.glGetShaderInfoLog(shader));       GLES20.glDeleteShader(shader);       shader = 0;     }   }     return shader; }

 

  4. 调试

        调试一个shader是非常困难的。shader的世界里没有printf，无法在控制台中打印调试信息， 更没有断点，甚至很多编辑器对shader程序关键字、变量等连高亮显示都不支持。 但是可以通过一些OpenGL提供的函数来获取编译和连接过程中的信息。

        在编译阶段使用glGetShaderiv获取编译情况，在连接阶段使用glGetProgramiv获取连接情况。当错误产生的时候，还可以从InfoLog中获得更多的信息。InfoLog中存储了关于上一个操作执行时的相关信息，比如编译阶段的警告和错误，以及连接阶段产生的问题。不幸的是对于错误信息没有统一的标准，所以不同的硬件或驱动程序将提供不同的错误信息。

 

  三、创建着色器程序代码示例

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private int createProgram(String vertexSource, String fragmentSource) {   // 加载顶点着色器   int vertexShader = loadShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER, vertexSource);   if (vertexShader == 0)   {     return 0;   }       // 加载片元着色器   int pixelShader = loadShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentSource);   if (pixelShader == 0)   {     return 0;   }     // 创建着色器程序   int program = GLES20.glCreateProgram();   // 若程序创建成功则向程序中加入顶点着色器与片元着色器   if (program != 0)   {     // 向程序中加入顶点着色器     GLES20.glAttachShader(program, vertexShader);     // 向程序中加入片元着色器     GLES20.glAttachShader(program, pixelShader);     // 链接程序     GLES20.glLinkProgram(program);     // 存放链接成功program数量的数组     int[] linkStatus = new int[1];     // 获取program的链接情况     GLES20.glGetProgramiv(program, GLES20.GL_LINK_STATUS, linkStatus, 0);     // 若链接失败则报错并删除程序     if (linkStatus[0] != GLES20.GL_TRUE)     {       Log.e(TAG, "Could not link program: ");       Log.e(TAG, GLES20.glGetProgramInfoLog(program));       GLES20.glDeleteProgram(program);       program = 0;     }   }     // 释放shader资源   GLES20.glDeleteShader(vertexShader );   GLES20.glDeleteShader(pixelShader);     return program; }

四、 向着色器程序中传递数据

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1. 获取着色器程序内成员变量的id，也可以理解为句柄、指针。   glGetAttribLocation方法：获取着色器程序中，指定为attribute类型变量的id。   glGetUniformLocation方法：获取着色器程序中，指定为uniform类型变量的id。   如：   // 获取指向着色器中aPosition的index   maPositionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(mProgram, "aPosition");   // 获取指向着色器中uMVPMatrix的index   muMVPMatrixHandle = GLES20.glGetUniformLocation(mProgram, "uMVPMatrix");

2. 传递数据

        使用上一节获取的指向着色器相应数据成员的各个id，就能将我们自己定义的顶点数据、颜色数据等等各种数据传递到着色器当中了。

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// 使用shader程序 GLES20.glUseProgram(mProgram); // 将最终变换矩阵传入shader程序 GLES20.glUniformMatrix4fv(muMVPMatrixHandle, 1, false, MatrixState.getFinalMatrix(), 0); // 设置缓冲区起始位置 mRectBuffer.position(0); // 顶点位置数据传入着色器 GLES20.glVertexAttribPointer(maPositionHandle, 3, GLES20.GL_FLOAT, false, 20, mRectBuffer); // 顶点颜色数据传入着色器中 GLES20.glVertexAttribPointer(maColorHandle, 4, GLES20.GL_FLOAT, false, 4*4, mColorBuffer); // 顶点坐标传递到顶点着色器 GLES20.glVertexAttribPointer(maTextureHandle, 2, GLES20.GL_FLOAT, false, 20, mRectBuffer); // 允许使用顶点坐标数组 GLES20.glEnableVertexAttribArray(maPositionHandle); // 允许使用顶点颜色数组 GLES20.glDisableVertexAttribArray(maColorHandle); // 允许使用定点纹理数组 GLES20.glEnableVertexAttribArray(maTextureHandle); // 绑定纹理 GLES20.glActiveTexture(GLES20.GL_TEXTURE0); GLES20.glBindTexture(GLES20.GL_TEXTURE_2D, texture); // 图形绘制 GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLE_FAN, 0, 4);

2.1 glVertexAttribPointer，定义顶点属性数组。

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函数原型： void glVertexAttribPointer (int index, int size, int type, boolean normalized, int stride, Buffer ptr ) 参数含义：   index  指定要修改的顶点着色器中顶点变量id；   size   指定每个顶点属性的组件数量。必须为1、2、3或者4。如position是由3个（x,y,z）组成，而颜色是4个（r,g,b,a））；   type   指定数组中每个组件的数据类型。可用的符号常量有GL_BYTE, GL_UNSIGNED_BYTE, GL_SHORT,GL_UNSIGNED_SHORT, GL_FIXED, 和 GL_FLOAT，初始值为GL_FLOAT；   normalized  指定当被访问时，固定点数据值是否应该被归一化（GL_TRUE）或者直接转换为固定点值（GL_FALSE）；   stride      指定连续顶点属性之间的偏移量。如果为0，那么顶点属性会被理解为：它们是紧密排列在一起的。初始值为0。如果normalized被设置为GL_TRUE，意味着整数型的值会被映射至区间[-1,1](有符号整数)，或者区间[0,1]（无符号整数），反之，这些值会被直接转换为浮点值而不进行归一化处理；   ptr  顶点的缓冲数据。

2.2 启用或者禁用顶点属性数组。 调用glEnableVertexAttribArray和glDisableVertexAttribArray传入参数index。如果启用，那么当glDrawArrays或者glDrawElements被调用时，顶点属性数组会被使用。

2.3 glActiveTexture， 选择活动纹理单元。

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函数原型： void glActiveTexture (int texture) 参数含义： texture指定哪一个纹理单元被置为活动状态。texture必须是GL_TEXTUREi之一，其中0 <= i < GL_MAX_COMBINED_TEXTURE_IMAGE_UNITS，初始值为GL_TEXTURE0。

glActiveTexture()确定了后续的纹理状态改变影响哪个纹理，纹理单元的数量是依据该纹理单元所被支持的具体实现。