前言
该篇文章是继camera2 的基础上 添加的 Opengles，实现滤镜或者黑白灰等效果，由于Opengles 需要设置 GLSL 语言的 shader，这里单独加一张 GLSL 的学习笔记。阅读时间20分钟+
参考文章 湖广午王 CSDN
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1. 关于GLSL
着色器是用来实现图像渲染的，用来替代固定渲染管线的可编程程序。着色器替代了传统的固定渲染管线，可以实现3D图形学计算中的相关计算，由于其可编程性，可以实现各种各样的图像效果而不用受显卡的固定渲染管线限制。这极大的提高了图像的画质。
在Opengloes 中着色器分为顶点着色器和片元着色器，我们可以理解为：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（可以理解为每个像素）执行一次，用于确认渲染每个片元（像素）的颜色。
2. GLSL 简要说明
OpenGLES的着色器语言GLSL是一种高级的图形化编程语言，其源自应用广泛的C语言。与传统的C语言不同的是，它提供了更加丰富的针对于图像处理的原生类型，诸如向量、矩阵之类。OpenGLES 主要包含以下特性：
1.GLSL是一种面向过程的语言，和Java的面向对象是不同的。
2.它完美的支持向量和矩阵操作。
3.它是通过限定符操作来管理输入输出类型的。
4.GLSL提供了大量的内置函数来提供丰富的扩展功能。
3.1 基本类型
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| void | 同 java，表示空类型。作为函数的返回类型，表示这个函数不返回值。 |
| bool | 布尔类型 rue 和false，可以产生布尔型的表达式。 |
| int | 整型 代表至少包含16位的有符号的整数。十进制，十六进制 八进制 |
| float | 浮点型 |
| bvec2 /3 /4 | 包含2 / 3 / 4个布尔成分的向量 |
| ivec2 / 3 / 4 | 包含2 / 3 / 4个整型成分的向量 |
| mat2 或者 mat2x2 | 2x2的浮点数矩阵类型 |
| mat3 或者 mat3x3 | 3x3的浮点数矩阵类型 |
| mat4 或者 mat4x4 | 4x4的浮点矩阵 |
| mat2x3 | 2列3行的浮点矩阵（OpenGL的矩阵是列主顺序的） 还有 很多种类型 2× 4 2列 4行 不一一列举了 |
| sampler1D / 2D / 3D | 用于内建的纹理函数中引用指定的1D /2D / 3D 纹理的句柄。只可以作为一致变量或者函数参数使用 |
| samplerCube | cube map纹理句柄 |
| sampler1DShadow / sampler2DShadow | 一维 / 二维深度纹理句柄 |
代码举例 ：
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(vec3,1.0);
vec4 g=vec4(0.2); //相当于vec(0.2,0.2,0.2,0.2)
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)
3.2 运算符
GLSL语言的操作符与Java 语言相似。如下表（操作符的优先级从高到低排列）
| 操作符 | 描述 |
|---|---|
| () | 用于表达式组合，函数调用，构造 |
| [ ] | 数组下标，向量或矩阵的选择器 |
| . | 结构体和向量的成员选择 |
| ++ -- | 前缀或后缀的自增自减操作符 |
| + – ! | 一元操作符，表示正 负 逻辑非 |
| * / | 乘 除操作符 |
| + - | 二元操作符 表示加 减操作 |
| <> <= >= == != | 小于，大于，小于等于， 大于等于，等于，不等于 判断符 |
| && ^^ | 逻辑与 ，或， 异或 |
| ?: | 条件判断符 |
| = += –= *= /= | 赋值操作符 |
3.3 结构体
结构体可以组合基本类型和数组来形成用户自定义的类型。在定义一个结构体的同时，你可以定义一个结构体实例。或者后面再定义。
struct surface {float indexOfRefraction;
vec3 color;float turbulence;
} mySurface;
surface secondeSurface;
可以通过=为结构体赋值，或者使用 ==，!=来判断两个结构体是否相等
只有结构体中的每个成分都相等，那么这两个结构体才是相等的。访问结构体的内部成员使用. 来访问（和 java 相同）。
结构体至少包含一个成员。固定大小的数组也可以被包含在结构体中。GLSL的结构体不支持嵌套定义。只有预先声明的结构体可以嵌套其中。
struct myStruct {
vec3 points[3]; //固定大小的数组是合法的
surface surf; //可以，之前已经定义了
struct velocity { //不合法float speed;
vec3 direction;
} velo;
subSurface sub;
//不合法，没有预先声明；
struct subSurface {
int id;
};
};
3.4 数组
GLSL中只可以使用一维的数组。数组的类型可以是一切基本类型或者结构体。下面的几种数组声明是合法的：
surface mySurfaces[];
vec4 lightPositions[8];
vec4 lightPos[] = lightPositions;const int numSurfaces = 5;
surface myFiveSurfaces[numSurfaces];float[5] values;
指定显示大小的数组可以作为函数的参数或者使返回值,也可以作为结构体的成员.数组类型内建了一个length()函数，可以返回数组的长度。
vec4 myColor, ambient, diffuse[6], specular[6];
myColor = ambient + diffuse[4] + specular[4];
3.5 修饰符
| 修饰符 | 描述 |
|---|---|
| const | 常量值必须在声明是初始化。它是只读的不可修改的。 |
| attribute | 表示只读的顶点数据，只用在顶点着色器中。数据来自当前的顶点状态或者顶点数组。它必须是全局范围声明的，不能再函数内部。一个attribute可以是浮点数类型的标量，向量，或者矩阵。不可以是数组或则结构体 |
| uniform | 一致变量。在着色器执行期间一致变量的值是不变的。与const常量不同的是，这个值在编译时期是未知的是由着色器外部初始化的。一致变量在顶点着色器和片段着色器之间是共享的。它也只能在全局范围进行声明。 |
| varying | 顶点着色器的输出。例如颜色或者纹理坐标，（插值后的数据）作为片段着色器的只读输入数据。必须是全局范围声明的全局变量。可以是浮点数类型的标量，向量，矩阵。不能是数组或者结构体。 |
| centorid varying | 在没有多重采样的情况下，与varying是一样的意思。在多重采样时，centorid varying在光栅化的图形内部进行求值而不是在片段中心的固定位置求值。 |
| invariant | (不变量)用于表示顶点着色器的输出和任何匹配片段着色器的输入，在不同的着色器中计算产生的值必须是一致的。所有的数据流和控制流，写入invariant变量的是一致的。编译器为了保证结果是完全一致的，需要放弃那些可能会导致不一致值的潜在的优化。除非必要，不要使用这个修饰符。在多通道渲染中避免z-fighting可能会使用到。 |
| in | 用在函数的参数中，表示这个参数是输入的，在函数中改变这个值，并不会影响对调用的函数产生副作用。（相当于C语言的传值），这个是函数参数默认的修饰符 |
| out | 用在函数的参数中，表示该参数是输出参数，值是会改变的。 |
| inout | 用在函数的参数，表示这个参数即是输入参数也是输出参数。 |
3.6 内置变量
内置变量可以与固定函数功能进行交互。在使用前不需要声明。顶点着色器可用的内置变量如下表：
| 名称 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| gl_Color | vec4 | 输入属性-表示顶点的主颜色 |
| gl_SecondaryColor | vec4 | 输入属性-表示顶点的辅助颜色 |
| gl_Normal | vec3 | 输入属性-表示顶点的法线值 |
| gl_Vertex | vec4 | 输入属性-表示物体空间的顶点位置 |
| gl_MultiTexCoordn | vec4 | 输入属性-表示顶点的第n个纹理的坐标 |
| gl_FogCoord | float | 输入属性-表示顶点的雾坐标 |
| gl_Position | vec4 | 输出属性-变换后的顶点的位置，用于后面的固定的裁剪等操作。所有的顶点着色器都必须写这个值。 |
| gl_ClipVertex | vec4 | 输出坐标，用于用户裁剪平面的裁剪 |
| gl_PointSize | float | 点的大小 |
| gl_FrontColor | vec4 | 正面的主颜色的varying输出 |
| gl_BackColor | vec4 | 背面主颜色的varying输出 |
| gl_FrontSecondaryColor | vec4 | 正面的辅助颜色的varying输出 |
| gl_BackSecondaryColor | vec4 | 背面的辅助颜色的varying输出 |
| gl_TexCoord [] | vec4 | 纹理坐标的数组varying输出 |
| gl_FogFragCoord | float | 雾坐标的varying输出 |
片段着色器 的内置变量如下表：
| 名称 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| gl_Color | vec4 | 包含主颜色的插值只读输入 |
| gl_SecondaryColor | vec4 | 包含辅助颜色的插值只读输入 |
| gl_TexCoord[] | vec4 | 包含纹理坐标数组的插值只读输入 |
| gl_FogFragCoord | float | 包含雾坐标的插值只读输入 |
| gl_FragCoord | vec4 | 只读输入，窗口的x,y,z和1/w |
| gl_FrontFacing | bool | 只读输入，如果是窗口正面图元的一部分，则这个值为true |
| gl_PointCoord | vec2 | 点精灵的二维空间坐标范围在(0.0, 0.0)到(1.0, 1.0)之间，仅用于点图元和点精灵开启的情况下。 |
| gl_FragData[] | vec4 | 使用glDrawBuffers输出的数据数组。不能与gl_FragColor结合使用。 |
| gl_FragColor | vec4 | 输出的颜色用于随后的像素操作 |
| gl_FragDepth | float | 输出的深度用于随后的像素操作，如果这个值没有被写，则使用固定功能管线的深度值代替 |
3.7 构造函数
构造函数可以用于初始化包含多个成员的变量，包括数组和结构体。构造函数也可以用在表达式中。调用方式如下：
vec3 myNormal = vec3(1.0, 1.0, 1.0);
greenTint = myColor + vec3(0.0, 1.0, 0.0);
ivec4 myColor = ivec4(255);
还可以使用混合标量和向量的方式来构造，只要你的元素足以填满该向量。
vec4 color = vec4(1.0, vec2(0.0, 1.0), 1.0);
vec3 v = vec3(1.0, 10.0, 1.0);
vec3 v1 = vec3(v);
vec2 fv = vec2(5.0, 6.0);
对于矩阵，OpenGL中矩阵是列主顺序的。如果只传了一个值，则会构造成对角矩阵，其余的元素为0.
mat3 m3 = mat3(1.0);
构造出来的矩阵式：
1.0 0.0 0.0
0.0 1.0 0.0
0.0 0.0 1.0
mat2 matrix1 = mat2(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
mat2 matrix2 = mat2(vec2(1.0, 0.0), vec2(0.0, 1.0));
mat2 matrix3 = mat2(1.0);
mat2 matrix4 = mat2(mat4(2.0)); //会取 4x4矩阵左上角的2x2矩阵。
构造函数可以用于标量数据类型的转换。GLSL不支持隐式或显示的转换，只能通过构造函数来转。其中int转为float值是一样的。float转为int则小数部分被丢弃。int或float转为bool，0和0.0转为false，其余的值转为true. bool转为int或float，false值转为0和0.0，true转为1和1.0.
float f = 1.7;
int I = int(f); // I = 1
数组的初始化，可以在构造函数中传入值来初始化数组中对应的每一个值。
ivec2 position[3] = ivec2[3]((0,0), (1,1), (2,2));
ivec2 pos2[3] = ivec2[]((3,3), (2,1), (3,1));
构造函数也可以对结构体进行初始化。其中顺序和类型要一一对应。
struct surface {
int index;
vec3 color;
float rotate;
};
surface mySurface = surface(3, vec3(red, green, blue), 0.5);
3.8 控制流
GLSL中的流程控制与 java 中基本相同，主要有：
- if(){}、if(){}else{}、if(){}else if(){}else{}
- while(){}和do{}while()
- for(;;){}
- break和continue
3.9 函数
在每个shader中必须有一个main函数。main函数中的void参数是可选的，但返回值是void时必须的。
GLSL中的函数，必须是在全局范围定义和声明的。不能在函数定义中声明或定义函数。函数必须有返回类型，参数是可选的。参数的修饰符(in, out, inout, const等）是可选的
void main(void)
{
...
}
3.9.1 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)：xyxy
- exp(x)：exex
- exp2(x)：2x2x
- log(x)：logexlogex
- log2(x)：log2xlog2x
- sqrt(x)：x−−√x
- inversesqr(x)：1x−−√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x∗(1−a)+y∗ax∗(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
3.9.2 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
3.9.3 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
3.9.4 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
后记
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