OpenGL ES 着色器语言GLSL

在OpenGL ES中着色器分为顶点着色器和片元着色器。顶点着色器是针对每个顶点执行一次，用于确定顶点的位置。片元着色器是针对每个片元，片元我们可以理解为每个像素，用于确定每个片元（像素）的颜色。

一、GLSL 简介

GLSL又叫OpenGL着色语言（OpenGL Shading Language），是用来在OpenGL中着色编程的语言，是一种面向过程的语言，基本的语法和C/C++基本相同，他们是在图形卡的GPU （Graphic Processor Unit图形处理单元）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。比如：视图转换、投影转换等。GLSL（GL Shading Language）的着色器代码分成2个部分：Vertex Shader（顶点着色器）和Fragment（片断着色器）。

二、GLSL 基础

GLSL 虽然很类似于C/C++，但是它和C/C++还是有很大的不同的，比如，没有double，long等类型，没有union、enum、unsigned以及位运算等特性。

基本数据类型

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：

1. 标量

标量表示的是只有大小没有方向的量，在GLSL中标量只有bool、int和float三种。对于int，和C一样，可以写为十进制（16）、八进制（020）或者十六进制（0x10）。对于标量的运算，我们最需要注意的是精度，防止溢出问题。

2. 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、三维和四位向量。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，数组代表维数、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。

• 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。
• 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。
• 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。

3. 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表的方式取里面具体位置的值。

4.采样器

采样器是专门用来对纹理进行采样工作的，在GLSL中一般来说，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。

5.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。

6.数组

数组知识也和C中相同，不同的是数组声明时可以不指定大小，但是建议在不必要的情况下，还是指定大小的好。

7.空类型

空类型用void表示，仅用来声明不返回任何值得函数。

数据声明示例：

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：=，+=，-=，*=，/=

类型转换

GLSL的类型转换与C不同。在GLSL中类型不可以自动提升，比如float a=1;就是一种错误的写法，必须严格的写成float a=1.0，也不可以强制转换，即float a=(float)1;也是错误的写法，但是可以用内置函数来进行转换，如float a=float(1);还有float a=float(true);（true为1.0，false为0.0）等，值得注意的是，低精度的int不能转换为低精度的float。

限定符

GLSL中的限定符号主要有：

• 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。

限定符与java限定符类似，放在变量类型之前，并且只能用于全局变量。在GLSL中，没有默认限定符一说。

流程控制

GLSL中的流程控制与C中基本相同，主要有：

• if(){}、if(){}else{}、if(){}else if(){}else{}
• while(){}和do{}while()
• for(;;){}
• break和continue

函数

GLSL中也可以定义函数，定义函数的方式也与C语言基本相同。函数的返回值可以是GLSL中的除了采样器的任意类型。对于GLSL中函数的参数，可以用参数用途修饰符来进行修饰，常用修饰符如下：

• in：输入参数，无修饰符时默认为此修饰符。
• out：输出参数。
• inout：既可以作为输入参数，又可以作为输出参数。

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;

当然，也可以在片元着色器中设置默认精度，只需要在片元着色器最上面加上precision <精度> <类型>即可制定某种类型的默认精度。其他情况相同的话，精度越高，画质越好，使用的资源也越多。

程序结构

GLSL程序的结构和C语言差不多，main()方法表示入口函数，可以在其上定义函数和变量，在main中可以引用这些变量和函数。定义在函数体以外的叫做全局变量，定义在函数体内的叫做局部变量。与高级语言不通的是，变量和函数在使用前必须声明，不能再使用的后面声明变量或者函数。

GLSL 内建变量

在着色器中我们一般都会声明变量来在程序中使用，但是着色器中还有一些特殊的变量，不声明也可以使用。这些变量叫做内建变量。內建变量，相当于着色器硬件的输入和输出点，使用者利用这些输入点输入之后，就会看到屏幕上的输出。通过输出点可以知道输出的某些数据内容。当然，实际上肯定不会这样简单，这么说只是为了帮助理解。在顶点着色器中的内建变量和片元着色器的内建变量是不相同的。着色器中的内建变量有很多，在此，我们只列出最常用的集中内建变量。

顶点着色器的内建变量

输入变量：

• gl_Position：顶点坐标
• 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:

• gl_FragCoord：当前片元相对窗口位置所处的坐标。
• 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。

输出变量:

• gl_FragColor：当前片元颜色
• 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。

常用内置函数

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)：xy
• exp(x)：
• exp2(x)：
• log(x)：
• log2(x)：
• sqrt(x)：
• inversesqr(x)：
• 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

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

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及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

纹理采样函数中，3D在OpenGLES2.0并不是绝对支持。我们再次暂时不管3D纹理采样函数。重点只对texture2D函数进行说明。texture2D拥有三个参数，第一个参数表示纹理采样器。第二个参数表示纹理坐标，可以是二维、三维、或者四维。第三个参数加入后只能在片元着色器中调用，且只对采样器为mipmap类型纹理时有效。