《OpenGL从入门到放弃05》着色器语言

之前文章：

《OpenGL从入门到放弃01 》一些基本概念
《OpenGL从入门到放弃02 》GLSurfaceView和Renderer
《OpenGL从入门到放弃03 》相机和视图
《OpenGL从入门到放弃04 》画一个长方形

通过前面几篇文章，相信大家已经掌握了使用OpenGL绘制三角形和长方形，还有一些看起来复杂一点的圆柱、圆锥，就不再介绍了，大家有兴趣的话自己去发挥一些。
有疑问的点应该是着色器语言，所以有了这篇文章。

着色器语言

数据类型

GLSL中的数据类型主要分为标量、向量、矩阵、采样器、结构体、数组、空类型七种类型：

• 标量：相当于java的基本数据类型，在GLSL中标量只有bool、int和float三种。我们最需要注意的是精度，防止溢出问题。

• 向量：向量我们可以看做是数组，在GLSL通常用于储存颜色、坐标等数据，针对维数，可分为二维、三维和四维向量。针对存储的标量类型，可以分为bool、int和float。共有vec2、vec3、vec4，ivec2、ivec3、ivec4、bvec2、bvec3和bvec4九种类型，数字代表维数、i表示int类型、b表示bool类型。需要注意的是，GLSL中的向量表示竖向量，所以与矩阵相乘进行变换时，矩阵在前，向量在后（与DirectX正好相反）。向量在GPU中由硬件支持运算，比CPU快的多。

  1. 作为颜色向量时，用rgba表示分量，就如同取数组的中具体数据的索引值。三维颜色向量就用rgb表示分量。比如对于颜色向量vec4 color，color[0]和color.r都表示color向量的第一个值，也就是红色的分量。其他相同。
  2. 作为位置向量时，用xyzw表示分量，xyz分别表示xyz坐标，w表示向量的模。三维坐标向量为xyz表示分量，二维向量为xy表示分量。
  3. 作为纹理向量时，用stpq表示分量，三维用stp表示分量，二维用st表示分量。

• 矩阵：在GLSL中矩阵拥有22、33、4*4三种类型的矩阵，分别用mat2、mat3、mat4表示。我们可以把矩阵看做是一个二维数组，也可以用二维数组下标的方式取里面具体位置的值。

• 采样器：sampler2D，采样器是专门用来对纹理进行采样工作的，一般来说，一个采样器变量表示一副或者一套纹理贴图。所谓的纹理贴图可以理解为我们看到的物体上的皮肤。

• 结构体：和C语言中的结构体相同，用struct来定义结构体，关于结构体参考C语言中的结构体。

• 数组：跟C、Java中的数组基本相同

变量声明示例：

float a=1.0;
int b=1;
bool c=true;
vec2 d=vec2(1.0,2.0);
vec3 e=vec3(1.0,2.0,3.0)
vec4 f=vec4(vec3,1.2);
vec4 g=vec4(0.2);  //相当于vec(0.2,0.2,0.2,0.2)
vec4 h=vec4(a,a,1.3,a);
mat2 i=mat2(0.1,0.5,1.2,2.4);
mat2 j=mat2(0.8);   //相当于mat2(0.8,0.8,0.8,0.8)
mat3 k=mat3(e,e,1.2,1.6,1.8);

运算符

GLSL中的运算符有（越靠前，运算优先级越高）：

1. 索引：[]
2. 前缀自加和自减：++，–
3. 一元非和逻辑非：~，！
4. 加法和减法：+，-
5. 等于和不等于：==，！=
6. 逻辑异或：^^
7. 三元运算符号，选择：？:
8. 成员选择与混合：.
9. 后缀自加和自减：++，–
10. 乘法和除法：*，/
11. 关系运算符：>，<，=，>=，<=，<>
12. 逻辑与：&&
13. 逻辑或：||
14. 赋值预算：=，+=，-=，*=，/=

基本和其它语言一致。

限定符

attritude：一般用于各个顶点各不相同的量。如顶点颜色、坐标等。
uniform：一般用于对于3D物体中所有顶点都相同的量。比如光源位置，统一变换矩阵等。
varying：表示易变量，一般用于顶点着色器传递到片元着色器的量。
const：常量。
看下例子：

    // 顶点着色器的脚本
    String vertexShaderCode =
                    "uniform mat4 uMVPMatrix;" +    /接收传入的转换矩阵
                    "attribute vec4 vPosition;" +      //接收传入的顶点
                    "attribute vec2 aTexCoord;" +       //接收传入的顶点纹理位置
                    "varying vec2 vTextureCoord;" +     //增加用于传递给片元着色器的纹理位置变量
                    "void main() {" +
                        "gl_Position = uMVPMatrix * vPosition;" +  //矩阵变换计算之后的位置
                        "vTextureCoord = aTexCoord;" +
                    " }";

浮点精度

与顶点着色器不同的是，在片元着色器中使用浮点型时，必须指定浮点类型的精度，否则编译会报错。精度有三种，分别为：

lowp：低精度。8位。
mediump：中精度。10位。
highp：高精度。16位。

不仅仅是float可以制定精度，其他（除了bool相关）类型也同样可以，但是int、采样器类型并不一定要求指定精度。加精度的定义如下：

uniform lowp float a=1.0;
varying mediump vec4 c;

也可以直接在片元着色器第一行声明

precision mediump float;  // 声明float类型的精度为中等(精度越高越耗资源)

内建变量

顶点着色器的内建变量

输入变量

1. gl_Position：顶点坐标
   在上面代码段可以看到，直接使用gl_Position，不需要定义或者声明，
2. gl_PointSize：点的大小，没有赋值则为默认值1，通常设置绘图为点绘制才有意义。

片元着色器的内建变量

输入变量

1. gl_FragCoord：当前片元相对窗口位置所处的坐标。
2. gl_FragFacing：bool型，表示是否为属于光栅化生成此片元的对应图元的正面。

加粗是我们常用的内建变量

输出变量

1. gl_FragColor：当前片元颜色
2. gl_FragData：vec4类型的数组。向其写入的信息，供渲染管线的后继过程使用。

函数

常见函数

• radians(x)：角度转弧度
• degrees(x)：弧度转角度
• sin(x)：正弦函数，传入值为弧度。相同的还有cos余弦函数、tan正切函数、asin反正弦、acos反余弦、atan反正切
• pow(x,y)：[Math Processing Error]xy
• exp(x)：[Math Processing Error]ex
• exp2(x)：[Math Processing Error]2x
• log(x)：[Math Processing Error]logex
• log2(x)：[Math Processing Error]log2x
• sqrt(x)：[Math Processing Error]x
• inversesqr(x)：[Math Processing Error]1x
• abs(x)：取x的绝对值
• sign(x)：x>0返回1.0，x<0返回-1.0，否则返回0.0
• ceil(x)：返回大于或者等于x的整数
• floor(x)：返回小于或者等于x的整数
• fract(x)：返回x-floor(x)的值
• mod(x,y)：取模（求余）
• min(x,y)：获取xy中小的那个
• max(x,y)：获取xy中大的那个
• mix(x,y,a)：返回[Math Processing Error]x∗(1−a)+y∗a
• step(x,a)：x< a返回0.0，否则返回1.0
• smoothstep(x,y,a)：a < x返回0.0，a>y返回1.0，否则返回0.0-1.0之间平滑的Hermite插值。
• dFdx(p)：p在x方向上的偏导数
• dFdy(p)：p在y方向上的偏导数
• fwidth(p)：p在x和y方向上的偏导数的绝对值之和

函数目前基本没怎么用到过，所以没有加粗，后面用到再回来查一下即可

几何函数

• length(x)：计算向量x的长度
• distance(x,y)：返回向量xy之间的距离
• dot(x,y)：返回向量xy的点积
• cross(x,y)：返回向量xy的差积
• normalize(x)：返回与x向量方向相同，长度为1的向量

ps：distance 函数在后面做滤镜的时候可能会用到

矩阵函数

• matrixCompMult(x,y)：将矩阵相乘
• lessThan(x,y)：返回向量xy的各个分量执行x< y的结果，类似的有greaterThan,equal,notEqual
• lessThanEqual(x,y)：返回向量xy的各个分量执行x<= y的结果，类似的有类似的有greaterThanEqual
• any(bvec x)：x有一个元素为true，则为true
• all(bvec x)：x所有元素为true，则返回true，否则返回false
• not(bvec x)：x所有分量执行逻辑非运算

纹理采样函数

• 纹理采样函数有
• texture2D、
• texture2DProj、
• texture2DLod、
• texture2DProjLod、
• textureCube、
• textureCubeLod
• texture3D、
• texture3DProj、
• texture3DLod、
• texture3DProjLod等。

texture表示纹理采样，2D表示对2D纹理采样，3D表示对3D纹理采样
Lod后缀，只适用于顶点着色器采样 Proj表示纹理坐标st会除以q

texture2D 有2个参数， 第一个参数表示纹理采样器，（纹理采样器是片元着色器的内置变量）。 第二个参数表示纹理坐标，可以是二维、三维、或者四维（我们需要把纹理坐标传过去）

认真阅读，可以发现着色器语言并不复杂，我们只要掌握几个常用的，然后其他等需要的时候再查一下即可。

下一篇开始我们将学习比较有意思的纹理和图片处理，敬请期待吧！