一、关于着色器
着色器(Shader)是在GPU上运行的小程序。从名称可以看出,可通过处理它们来处理顶点。此程序使用OpenGL ES SL语言来编写。它是一个描述顶点或像素特性的简单程序。
1.1 顶点着色器
对于发送给GPU的每一个顶点,都要执行一次顶点着色器。其功能是把每个顶点在虚拟空间中的三维坐标变换为可以在屏幕上显示的二维坐标,并带有用于z-buffer的深度信息。顶点着色器可以操作的属性有:位置、颜色、纹理坐标,但是不能创建新的顶点。
顶点着色器的输入输出模型如下:
1.2 片(元)段着色器
片(元)段着色器计算每个像素的颜色和其它属性。它通过应用光照值、凹凸贴图,阴影,镜面高光,半透明等处理来计算像素的颜色并输出。它也可改变像素的深度(z-buffering)或在多个渲染目标被激活的状态下输出多种颜色。一个片元着色器不能产生复杂的效果,因为它只在一个像素上进行操作,而不知道场景的几何形状。
片元着色器的输入输出模型如下:
二、着色器语言
着色器语言(Shading Language)是一种高级的图形编程语言,仅适合于GPU编程,其源自应用广泛的C语言。对于顶点着色器和片元着色器的开发都需要用到着色器语言进行开发。它是面向过程的而非面向对象。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:
三、着色器语言基础
GLSL虽然是基于C/C++的语言,但是它和C/C++还是有很大的不同的,比如在GLSL中没有double
、long
等类型,没有union
、enum
、unsigned
以及位运算等特性。
1.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:
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。
矩阵:在GLSL中矩阵拥有2*2、3*3、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。
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);
2.运算符
GLSL中的运算符有(越靠前,运算优先级越高):
3.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。
4.限定符
GLSL中的限定符号主要有:
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。
5.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:
6.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:
具体如下表:
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。
7. 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。
(1) 顶点着色器的内建变量
输入变量:
(2)片段着色器的内建变量
输入变量:
输出变量:
8.常见的内置函数
9.几何函数
10.矩阵函数
11.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。
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。