OpenGL超級寶典筆記——GLSL語言基礎

變量

GLSL的變量命名方式與C語言相似。變量的名稱可使用字母，數字以及下劃線，但變量名不能以數字開頭，還有變量名不能以gl_做爲前綴，這個是GLSL保留的前綴，用於GLSL的內部變量。固然還有一些GLSL保留的名稱是不可以做爲變量的名稱的。

基本類型

除了布爾型，整型，浮點型基本類型外，GLSL還引入了一些在着色器中常常用到的類型做爲基本類型。這些基本類型均可以做爲結構體內部的類型。以下表:

類型	描述
void	跟C語言的void相似，表示空類型。做爲函數的返回類型，表示這個函數不返回值。
bool	布爾類型，能夠是true 和false，以及能夠產生布爾型的表達式。
int	整型 表明至少包含16位的有符號的整數。能夠是十進制的，十六進制的，八進制的。
float	浮點型
bvec2	包含2個布爾成分的向量
bvec3	包含3個布爾成分的向量
bvec4	包含4個布爾成分的向量
ivec2	包含2個整型成分的向量
ivec3	包含3個整型成分的向量
ivec4	包含4個整型成分的向量
mat2 或者 mat2x2	2x2的浮點數矩陣類型
mat3或者mat3x3	3x3的浮點數矩陣類型
mat4x4	4x4的浮點矩陣
mat2x3	2列3行的浮點矩陣（OpenGL的矩陣是列主順序的）
mat2x4	2列4行的浮點矩陣
mat3x2	3列2行的浮點矩陣
mat3x4	3列4行的浮點矩陣
mat4x2	4列2行的浮點矩陣
mat4x3	4列3行的浮點矩陣
sampler1D	用於內建的紋理函數中引用指定的1D紋理的句柄。只能夠做爲一致變量或者函數參數使用
sampler2D	二維紋理句柄
sampler3D	三維紋理句柄
samplerCube	cube map紋理句柄
sampler1DShadow	一維深度紋理句柄
sampler2DShadow	二維深度紋理句柄

結構體

結構體

結構體能夠組合基本類型和數組來造成用戶自定義的類型。在定義一個結構體的同時，你能夠定義一個結構體實例。或者後面再定義。

struct surface {float indexOfRefraction;

vec3 color;float turbulence;

} mySurface;

surface secondeSurface;

你能夠經過=爲結構體賦值，或者使用 ==，!=來判斷兩個結構體是否相等。

mySurface = secondSurface;

mySurface == secondSurface;

只有結構體中的每一個成分都相等，那麼這兩個結構體纔是相等的。訪問結構體的內部成員使用. 來訪問。

vec3 color = mySurface.color + secondSurface.color;

結構體至少包含一個成員。固定大小的數組也能夠被包含在結構體中。GLSL的結構體不支持嵌套定義。只有預先聲明的結構體能夠嵌套其中。

struct myStruct {

  vec3 points[3]; //固定大小的數組是合法的

  surface surf;  //能夠，以前已經定義了

  struct velocity {  //不合法float speed;

    vec3 direction;

  } velo;

  subSurface sub; //不合法，沒有預先聲明；};struct subSurface {  int id;
};

數組

GLSL中只可使用一維的數組。數組的類型能夠是一切基本類型或者結構體。下面的幾種數組聲明是合法的：

surface mySurfaces[];
vec4 lightPositions[8];
vec4 lightPos[] = lightPositions;const int numSurfaces = 5;
surface myFiveSurfaces[numSurfaces];float[5] values;

指定顯示大小的數組能夠做爲函數的參數或者使返回值,也能夠做爲結構體的成員.數組類型內建了一個length()函數，能夠返回數組的長度。

lightPositions.length() //返回數組的大小 8

最後，你不能定義數組的數組。

修飾符

變量的聲明可使用以下的修飾符。

修飾符	描述
const	常量值必須在聲明是初始化。它是隻讀的不可修改的。
attribute	表示只讀的頂點數據，只用在頂點着色器中。數據來自當前的頂點狀態或者頂點數組。它必須是全局範圍聲明的，不能再函數內部。一個attribute能夠是浮點數類型的標量，向量，或者矩陣。不能夠是數組或則結構體
uniform	一致變量。在着色器執行期間一致變量的值是不變的。與const常量不一樣的是，這個值在編譯時期是未知的是由着色器外部初始化的。一致變量在頂點着色器和片斷着色器之間是共享的。它也只能在全局範圍進行聲明。
varying	頂點着色器的輸出。例如顏色或者紋理座標，（插值後的數據）做爲片斷着色器的只讀輸入數據。必須是全局範圍聲明的全局變量。能夠是浮點數類型的標量，向量，矩陣。不能是數組或者結構體。
centorid varying	在沒有多重採樣的狀況下，與varying是同樣的意思。在多重採樣時，centorid varying在光柵化的圖形內部進行求值而不是在片斷中心的固定位置求值。
invariant	(不變量)用於表示頂點着色器的輸出和任何匹配片斷着色器的輸入，在不一樣的着色器中計算產生的值必須是一致的。全部的數據流和控制流，寫入一個invariant變量的是一致的。編譯器爲了保證結果是徹底一致的，須要放棄那些可能會致使不一致值的潛在的優化。除非必要，不要使用這個修飾符。在多通道渲染中避免z-fighting可能會使用到。
in	用在函數的參數中，表示這個參數是輸入的，在函數中改變這個值，並不會影響對調用的函數產生反作用。（至關於C語言的傳值），這個是函數參數默認的修飾符
out	用在函數的參數中，表示該參數是輸出參數，值是會改變的。
inout	用在函數的參數，表示這個參數便是輸入參數也是輸出參數。

內置變量

內置變量能夠與固定函數功能進行交互。在使用前不須要聲明。頂點着色器可用的內置變量以下表：

名稱	類型	描述
gl_Color	vec4	輸入屬性-表示頂點的主顏色
gl_SecondaryColor	vec4	輸入屬性-表示頂點的輔助顏色
gl_Normal	vec3	輸入屬性-表示頂點的法線值
gl_Vertex	vec4	輸入屬性-表示物體空間的頂點位置
gl_MultiTexCoordn	vec4	輸入屬性-表示頂點的第n個紋理的座標
gl_FogCoord	float	輸入屬性-表示頂點的霧座標
gl_Position	vec4	輸出屬性-變換後的頂點的位置，用於後面的固定的裁剪等操做。全部的頂點着色器都必須寫這個值。
gl_ClipVertex	vec4	輸出座標，用於用戶裁剪平面的裁剪
gl_PointSize	float	點的大小
gl_FrontColor	vec4	正面的主顏色的varying輸出
gl_BackColor	vec4	背面主顏色的varying輸出
gl_FrontSecondaryColor	vec4	正面的輔助顏色的varying輸出
gl_BackSecondaryColor	vec4	背面的輔助顏色的varying輸出
gl_TexCoord[]	vec4	紋理座標的數組varying輸出
gl_FogFragCoord	float	霧座標的varying輸出

片斷着色器的內置變量以下表：

名稱	類型	描述
gl_Color	vec4	包含主顏色的插值只讀輸入
gl_SecondaryColor	vec4	包含輔助顏色的插值只讀輸入
gl_TexCoord[]	vec4	包含紋理座標數組的插值只讀輸入
gl_FogFragCoord	float	包含霧座標的插值只讀輸入
gl_FragCoord	vec4	只讀輸入，窗口的x,y,z和1/w
gl_FrontFacing	bool	只讀輸入，若是是窗口正面圖元的一部分，則這個值爲true
gl_PointCoord	vec2	點精靈的二維空間座標範圍在(0.0, 0.0)到(1.0, 1.0)之間，僅用於點圖元和點精靈開啓的狀況下。
gl_FragData[]	vec4	使用glDrawBuffers輸出的數據數組。不能與gl_FragColor結合使用。
gl_FragColor	vec4	輸出的顏色用於隨後的像素操做
gl_FragDepth	float	輸出的深度用於隨後的像素操做，若是這個值沒有被寫，則使用固定功能管線的深度值代替

表達式

操做符

GLSL語言的操做符與C語言類似。以下表（操做符的優先級從高到低排列）

操做符	描述
()	用於表達式組合，函數調用，構造
[]	數組下標，向量或矩陣的選擇器
.	結構體和向量的成員選擇
++ --	前綴或後綴的自增自減操做符
+ – !	一元操做符，表示正 負 邏輯非
* /	乘 除操做符
+ -	二元操做符 表示加 減操做
<> <= >= == !=	小於，大於，小於等於， 大於等於，等於，不等於 判斷符
&& || ^^	邏輯與 ，或，  異或
?:	條件判斷符
= += –= *=  /=	賦值操做符
,	表示序列

像 求地址的& 和 解引用的 * 操做符再也不GLSL中出現，由於GLSL不能直接操做地址。類型轉換操做也是不容許的。 位操做符(&,|,^,~, <<, >> ,&=, |=, ^=, <<=, >>=)是GLSL保留的操做符，未來可能會被使用。還有求模操做（%，%=)也是保留的。

數組訪問

數組的下標從0開始。合理的範圍是[0, size - 1]。跟C語言同樣。若是數組訪問越界了，那行爲是未定義的。若是着色器的編譯器在編譯時知道數組訪問越界了，就會提示編譯失敗。

vec4 myColor, ambient, diffuse[6], specular[6];

myColor = ambient + diffuse[4] + specular[4];

構造函數

構造函數能夠用於初始化包含多個成員的變量，包括數組和結構體。構造函數也能夠用在表達式中。調用方式以下：

vec3 myNormal = vec3(1.0, 1.0, 1.0);

greenTint = myColor + vec3(0.0, 1.0, 0.0);

ivec4 myColor = ivec4(255);

還可使用混合標量和向量的方式來構造，只要你的元素足以填滿該向量。

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);

float f = float(fv); //用x值2.5構造，y值被捨棄

對於矩陣，OpenGL中矩陣是列主順序的。若是隻傳了一個值，則會構形成對角矩陣，其他的元素爲0.

mat3 m3 = mat3(1.0);

構造出來的矩陣式：

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)); //會取 4x4矩陣左上角的2x2矩陣。

構造函數能夠用於標量數據類型的轉換。GLSL不支持隱式或顯示的轉換，只能經過構造函數來轉。其中int轉爲float值是同樣的。float轉爲int則小數部分被丟棄。int或float轉爲bool，0和0.0轉爲false，其他的值轉爲true. bool轉爲int或float，false值轉爲0和0.0，true轉爲1和1.0.

float f = 1.7;

int I = int(f); // I = 1

數組的初始化，能夠在構造函數中傳入值來初始化數組中對應的每個值。

ivec2 position[3] = ivec2[3]((0,0), (1,1), (2,2));

ivec2 pos2[3] = ivec2[]((3,3), (2,1), (3,1));

構造函數也能夠對結構體進行初始化。其中順序和類型要一一對應。

struct surface {  int  index;
  vec3 color;  float rotate;
};

surface mySurface = surface(3, vec3(red, green, blue), 0.5);

成分選擇

向量中單獨的成分能夠經過{x,y,z,w},{r,g,b,a}或者{s,t,p,q}的記法來表示。這些不一樣的記法用於頂點，顏色，紋理座標。在成分選擇中，你不能夠混合使用這些記法。其中{s,t,p,q}中的p替換了紋理的r座標，由於與顏色r重複了。下面是用法舉例：

vec3 myVec = {0.5, 0.35, 0.7};float r = myVec.r;float myYz = myVec.yz;float myQ = myVec.q;//出錯，數組越界訪問，q表明第四個元素float myRY = myVec.ry; //不合法，混合使用記法

較特殊的使用方式，你能夠重複向量中的元素，或者顛倒其順序。如：

vec3 yxz = myVec.yxz; //調換順序vec4 mySSTT = myVec.sstt; //重複其中的值

在賦值是，也能夠選擇你想要的順序，可是不能重複其中的成分。

vec4 myColor = {0.0, 1.0, 2.0, 1.0};
myColor.x = -1.0;
myColor.yz = vec2(3.0, 5.0);
myColor.wx = vec2(1.0, 3.0);
myColor.zz = vec2(2.0, 3.0); //不合法

咱們也能夠經過使用下標來訪問向量或矩陣中的元素。若是越界那行爲將是未定義的。

float myY = myVec[1];

在矩陣中，能夠經過一維的下標來得到該列的向量(OpenGL的矩陣是列主順序的)。二維的小標來得到向量中的元素。

mat3 myMat = mat3(1.0);
vec3 myVec = myMat[0]; //得到第一列向量 1.0, 0.0, 0.0float f = myMat[0][0]; // 第一列的第一個向量。

控制流

循環

與C和C++類似，GLSL語言也提供了for, while, do/while的循環方式。使用continue跳入下一次循環，break結束循環。

for (l = 0; l < numLights; l++)
{if (!lightExists[l])continue;
    color += light[l];
}while (i < num)
{
    sum += color[i];
    i++;
}do{
    color += light[lightNum];
    lightNum--;
}while (lightNum > 0)

if/else

color = unlitColor;if (numLights > 0)
{
    color = litColor;
}else{
    color = unlitColor;
}

discard

片斷着色器中有一種特殊的控制流成爲discard。使用discard會退出片斷着色器，不執行後面的片斷着色操做。片斷也不會寫入幀緩衝區。

if (color.a < 0.9)

discard;

函數

在每一個shader中必須有一個main函數。main函數中的void參數是可選的，但返回值是void時必須的。

void main(void)
{
 ...
}

GLSL中的函數，必須是在全局範圍定義和聲明的。不能在函數定義中聲明或定義函數。函數必須有返回類型，參數是可選的。參數的修飾符(in, out, inout, const等）是可選的。

//函數聲明bool isAnyNegative(const vec4 v);//函數調用void main(void)
{bool isNegative = isAnyNegative(gl_Color);
    ...
}//定義bool isAnyNegative(const vec4 v)
{if (v.x < 0.0 || v.y < 0.0 || v.z < 0.0 || v.w < 0.0)return true;elsereturn false;
}

結構體和數組也能夠做爲函數的參數。若是是數組做爲函數的參數，則必須制定其大小。在調用傳參時，只傳數組名就能夠了。

vec4 sumVectors(int sumSize, vec4 v[10]);void main()
{
    vec4 myColors[10];
    ...
    vec4 sumColor = sumVectors(5, myColors);
}

vec4 sumVectors(int sumSize, vec4 v[10])
{int i = 0;
    vec4 sum = vec4(0.0);for(; i < sumSize; ++i)
    {
        sum += v[i]; 
    }return sum;
}

GLSL的函數是支持重載的。函數能夠同名但其參數類型或者參數個數不一樣便可。

float sum(float a, float b)
{return a + b;
}

vec3 sum(vec3 v1, vec3 v2)
{return v1 + v2;
}

GLSL中函數遞歸是不被容許的。其行爲是未定義的。

GLSL中提供了許多內建的函數，來方便咱們的使用。能夠在官方手冊中查找相關的函數http://www.opengl.org/sdk/docs/man/

GLSL指南 http://www.opengl.org/registry/doc/GLSLangSpec.Full.1.20.8.pdf