OpenGL 入门（三）— Shader（着色器）
文章目录
- 前言
- GLSL
- 数据类型
- 输入与输出
-
- 顶点着色器
- 片段着色器
- Uniform
- 多个属性
- 着色器类模板
-
- 创建着色器程序
- 创建Shader脚本
- 使用模板和Shader脚本文件
前言
着色器(Shader)是运行在GPU上的小程序。这些小程序为图形渲染管线的某个特定部分而运行。
从基本意义上来说，着色器只是一种把输入转化为输出的程序。着色器也是一种非常独立的程序，因为它们之间不能相互通信。它们之间唯一的沟通只有通过输入和输出。
GLSL
着色器是使用一种叫GLSL的类C语言写成的。GLSL是为图形计算量身定制的，它包含一些针对向量和矩阵操作的有用特性。
着色器的开头总是要声明版本，接着是输入和输出变量、uniform和main函数。每个着色器的入口点都是main函数，在这个函数中我们处理所有的输入变量，并将结果输出到输出变量中。
每个输入变量也叫顶点属性(Vertex Attribute)。能声明的顶点属性是有上限的，它一般由硬件来决定。OpenGL确保至少有16个包含4分量的顶点属性可用，但是有些硬件或许允许更多的顶点属性，你可以查询GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS来获取具体的上限：
int nrAttributes;
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &nrAttributes);
std::cout << "Maximum nr of vertex attributes supported: " << nrAttributes << std::endl;
数据类型
GLSL中包含C等其它语言大部分的默认基础数据类型：int、float、double、uint和bool。
GLSL也有两种容器类型：向量(Vector)和矩阵(Matrix)
这个重点介绍一下向量(Vector)：
GLSL中的向量是一个可以包含有2、3或者4个分量的容器，分量的类型可以是前面默认基础类型的任意一个。
| 类型 | 含义 |
|---|---|
| vecn | 包含n个float分量的默认向量 |
| bvecn | 包含n个bool分量的向量 |
| ivecn | 包含n个int分量的向量 |
| uvecn | 包含n个unsigned int分量的向量 |
| dvecn | 包含n个double分量的向量 |
向量这一数据类型也允许一些有趣而灵活的分量选择方式，叫做重组(Swizzling)。重组允许这样的语法：
vec2 someVec;
vec4 differentVec = someVec.xyxx;
vec3 anotherVec = differentVec.zyw;
vec4 otherVec = someVec.xxxx + anotherVec.yxzy;
我们也可以把一个向量作为一个参数传给不同的向量构造函数，以减少需求参数的数量：
vec2 vect = vec2(0.5, 0.7);
vec4 result = vec4(vect, 0.0, 0.0);
vec4 otherResult = vec4(result.xyz, 1.0);
输入与输出
GLSL定义了in和out关键字专门来实现这个目的。
每个着色器使用这两个关键字设定输入和输出，只要一个输出变量与下一个着色器阶段的输入匹配，它就会传递下去。
为了定义顶点数据该如何管理，我们使用location这一元数据指定输入变量，这样我们才可以在CPU上配置顶点属性。
顶点着色器
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos; // 位置变量的属性位置值为0
out vec4 vertexColor; // 为片段着色器指定一个颜色输出
void main()
{
gl_Position = vec4(aPos, 1.0); // 注意我们如何把一个vec3作为vec4的构造器的参数
vertexColor = vec4(0.5, 0.0, 0.0, 1.0); // 把输出变量设置为暗红色
}
片段着色器
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec4 vertexColor; // 从顶点着色器传来的输入变量（名称相同、类型相同）
void main()
{
FragColor = vertexColor;
}
完整脚本
#include 运行效果：
Uniform
Uniform是一种从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式，但uniform和顶点属性有些不同。
uniform是全局的(Global)。全局意味着uniform变量必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。无论你把uniform值设置成什么，uniform会一直保存它们的数据，直到它们被重置或更新。
如果你声明了一个uniform却在GLSL代码中没用过，编译器会静默移除这个变量，导致最后编译出的版本中并不会包含它，这可能导致几个非常麻烦的错误!
在片段着色器中声明一个带有uniform关键字的GLSL脚本:
#version 330 core
out vec4 FragColor;
uniform vec4 ourColor; // 在OpenGL程序代码中设定这个变量
void main()
{
FragColor = ourColor;
}
此时，这个uniform现在还是空的，然后，我们在C++程序中访问更新它的值：
float timeValue = glfwGetTime();
float greenValue = (sin(timeValue) / 2.0f) + 0.5f;
//用glGetUniformLocation查询uniform ourColor的位置值。
int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
//更新一个uniform之前你必须先使用程序（调用glUseProgram),
//因为它是在当前激活的着色器程序中设置uniform的。
glUseProgram(shaderProgram);
//通过glUniform4f函数设置uniform值
glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);
完整代码
#include 
多个属性
把位置数据和颜色数据添加到顶点数据中：
声明vertices数组：
float vertices[] = {
// 位置 // 颜色
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // 右下
-0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 左下
0.0f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f // 顶部
};
添加到顶点着色器中，修改着色器：
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos; // 位置变量的属性位置值为 0
layout (location = 1) in vec3 aColor; // 颜色变量的属性位置值为 1
out vec3 ourColor; // 向片段着色器输出一个颜色
void main()
{
gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
ourColor = aColor; // 将ourColor设置为我们从顶点数据那里得到的输入颜色
}
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 ourColor;
void main()
{
FragColor = vec4(ourColor, 1.0);
}
因为我们添加了另一个顶点属性，并且更新了VBO的内存，我们就必须重新配置顶点属性指针。更新后的VBO内存中的数据现在看起来像这样：
知道了现在使用的布局，我们就可以使用glVertexAttribPointer函数更新顶点格式：
// 位置属性
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// 颜色属性
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3* sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);
完整脚本
#include 效果展示：
着色器类模板
每创建一个着色器编写、编译、管理很麻烦，封装通用的Shader模板类可帮助我们省去很多时间，重点关注在效果实现上。
创建着色器程序
创建Shader程序模板头文件shader_s.h， 并放在指定头文件文件夹：
#ifndef SHADER_H
#define SHADER_H
#include 创建Shader脚本
顶点着色器文件：shader.vs
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
out vec3 ourColor;
void main()
{
gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
ourColor = aColor;
}
片元着色器文件：shader.fs
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 ourColor;
void main()
{
FragColor = vec4(ourColor, 1.0f);
}
然后把这两个文件放到指定的文件夹下：
使用模板和Shader脚本文件
需要注意的是，在加载Shader脚本时要，指定正确的脚本路径：
完整脚本
#include