OpenGL--GLSL基礎

Shader簡介

首先簡單介紹一下Shader是什麼，Shader意爲着色器，只是整個圖形渲染管線流程中的某幾個單元，也能夠理解爲圖形渲染管線中的幾處會被執行的代碼，Shader主要包括：頂點Shader，片斷Shader以及幾何Shader這3種。

那麼頂點，片斷和幾何分別是什麼呢？頂點很好理解，如要繪製一張圖片，通常是一個由四個頂點組成的圖形。就是咱們讀書那會幾何學裏的頂點一個意思。

片斷簡單點理解就是要繪製這張圖片的每個像素。(這種叫法通常指在渲染管線的着色階段的像素，片斷和像素是有區別的，如在重疊的狀況下，一個像素上能夠渲染多個片斷)

幾何指的是要繪製的形狀，一樣的4個點，能夠組成兩個三角形、一個四邊形或者兩條線。

咱們一般說的圖形渲染其實就是一個固定流水線流程，即一張圖片從無到有怎麼顯示到顯示器上的一個過程。Shader就是這個過程當中咱們程序員惟一能動態操做改變的部分。操做的橋樑就是語言了，DirectX中是HLSL，OpenGL中使用的是GLSL語言來編寫Shader腳本，能夠寫出各類炫酷的效果～

圖形渲染管線

下面咱們來大體講講圖形渲染管線流程的具體的幾個步驟：
1.準備好頂點數據和頂點連通性數據。頂點數據包括頂點的位置、顏色、紋理座標、法線等數據，而頂點連通性數據則是描述頂點之間如何鏈接組合的數據，如這邊兩個頂點是連成一條線，這邊三個頂點組成一個三角形。

2.將第一步獲取的頂點數據進行處理，包括頂點位置變換，頂點光照計算，生成紋理座標等操做，處理完後輸出到下一步。（頂點着色器負責階段）

3.根據上面提供的頂點數據和頂點連通性數據，將點連成線，線連成面。把零零散散的頂點組裝成一個一個的圖元，而且將圖元進行柵格化，即處理成一個一個的像素格子，而且決定了每一個像素格子的位置，這就是咱們說的片斷。
被肯定的除了片斷的位置以外，還可能包含片斷的顏色，OpenGL會根據圖元各個頂點的顏色，紋理座標進行插值，得出每一個片斷的顏色插值。這個階段還會對不在視口範圍中的內容進行裁剪。背面剔除操做也會在這個階段執行。（幾何着色器負責階段，這個咱們通常不會用到，由於通常不須要咱們再去實現一套新的圖元組裝規則）

4.對第三步輸出的片斷進行處理，包括對顏色處理，或者丟棄片斷，霧化也是在這個階段執行的。（片斷着色器負責階段）

5.爲即將呈現到屏幕上的內容進行最後的處理，即對每一個片斷進行一系列的測試：

• 裁剪測試，激活GL_SCISSOR_TEST時開啓，判斷是否在設定的裁剪窗口中，如是則經過，不然不渲染當前片斷。
• Alpha測試，激活GL_ALPHA_TEST時開啓，判斷當前片斷的透明度是否符合glAlphaFunc設定的條件(如透明度大於0.5)，如是則經過，不然不渲染當前片斷。
• 模版測試，激活GL_STENCIL_TEST時開啓，判斷當前片斷模版值與模版緩衝區中對應的模版值是否符合glStencilFunc()函數設定的條件，如是則經過，不然不渲染當前片斷。
• 深度測試，激活GL_DEPTH_TEST時開啓，用於判斷片斷的先後遮擋關係，判斷當前片斷的深度值和深度緩衝區中對應的值是否符合glDepthFunc()函數設定的條件，如是則經過，不然不渲染當前片斷。

最後，若是測試都經過了的話，會根據當前的混合模式將片斷更新到幀緩衝區裏對應的像素中，當屏幕刷新時，幀緩衝區的內容會被渲染到屏幕上。這就是咱們看到一個圖像如何顯示到屏幕上的整個過程。

GLSL基礎語法

下面咱們看看怎麼編寫Shader腳本，GLSL語法相似C語言，頂點着色器和片斷着色器都是使用GLSL編寫的。
一：數據類型和變量
1.基礎類型
GLSL支持如下三種基本數據類型：float、int、bool
須要特別注意的是，假設有一個float變量，在着色器中將其賦值爲1，在一些顯卡上可能會崩潰！由於1是整數不是浮點數，因此須要將1.0賦給浮點型變量。能夠這樣使用基本類型變量：

int a, b;
float c = 3.0;
bool d = true;

2.向量類型
上面3種基本數據類型分別對應3種向量：
vec二、vec三、vec4：浮點型向量，能夠存儲2～4個浮點數。
ivec二、ivec三、ivec4：整數向量。
bvec二、bvec三、bvec4：布爾型向量。
向量的操做是很靈活的，可使用下標來訪問向量的份量，也可使用x、y、z、w字段來訪問向量的成員，使用r、g、b、a字段能夠訪問顏色向量，使用s、t、p、q字段能夠訪問紋理座標向量。若是要訪問向量的x、y、z3個字段，還能夠連續使用字段。下面來代碼演示下：

vec2 a = vec2(1.0, 2.0);
vec3 b = vec3(3.0, 4.0, 5.0);
vec3 color = b.rgb;    //使用rgb來操做b的三個份量
float c = a[0];        //使用下標的方式來訪問a的第一個變量
vec3 d = vec3(a, c);   //使用一個vec2和一個float初始化vec3
float e = float(d);    //d的x份量被賦值給了e

3.矩陣類型
GLSL提供了2✖️2，3✖️3，4✖️4共3種矩陣類型，分別使用mat2，mat3，mat4表示。此外還支持2～4✖️2～4的任意矩陣，如mat3✖️二、mat4✖️3等。用法和向量相似。

4.採樣器
GLSL提供了一組採樣器，這是一種用於訪問紋理的特殊類型，在讀取紋理值時會用到，主要有下面幾種採樣器。

• sampler1D：一維紋理採樣器
• sampler2D：二維紋理採樣器
• sampler3D：三維紋理採樣器
• samplerCube：立方體映射紋理採樣器
• sampler1DShadow：一維陰影映射採樣器
• sampler2DShadow：二維陰影映射採樣器

5.數組和結構體
在GLSL中，能夠像C語言同樣聲明和訪問數組，但不能在聲明時直接初始化數組，數組下標從0開始，如：

int a[3];
a[0] = 1;

GLSL還能夠定義結構體，定義和初始化以下：

struct xxx
{
    vec3 pos;
    vec3 color;
};

xxx st1;
xxx st2 = xxx(vec3(0.0, 0.0, 0.0), vec3(1.0, 1.0, 0.0));
st2.pos = vec3(0.0, 1.0, 0.0);

二：操做符

=<+-*/&&||.等等這些基本和c語言操做符一致，不做過多介紹。

三：變量修飾符
變量修飾符放在變量類型以前，用於修飾變量，GLSL經常使用的有如下變量修飾符。

• const：編譯時期的常量，不可被修改
• attribute：屬性變量
• uniform：統一變量
• varying：易變變量

屬性變量和統一變量都是隻讀的全局變量(不能定義在函數內)，都是由OpenGL應用程序設置的變量，即值由底層操做，咱們只需定義使用。
屬性變量是針對每一個頂點的數據，因此只能在頂點着色器中定義，通常會將頂點的顏色、位置、法線等頂點數據做爲屬性變量傳遞給頂點着色器。
統一變量是針對整個圖元的數據，既能夠在頂點着色器中使用，也能夠在片斷着色器中使用。咱們把統一變量做爲中間媒介，經過統一變量傳遞應用程序中的變量給着色器使用。

易變變量是着色器中最神奇的變量，也最不容易理解。主要用於存儲插值數據，必須同時在頂點着色器和片斷着色器中定義同一個易變變量，在頂點着色器中寫入易變變量的值，而後在片斷着色器中獲取易變變量的值(片斷着色器中，易變變量是隻讀的)。
在頂點着色器中寫入頂點的插值，而後到了插值計算階段會根據這些頂點的插值會進行插值運算，計算出頂點之間片斷的值。簡單的講就是對數據進行插值計算。

四：語句與函數
GLSL語句和函數基本和c語言一致，支持if-else,for,while,do-while語句，同時支持break和continue關鍵字。在片斷着色器中，還可使用discard語句來丟棄當前片斷。
着色器程序由函數組成，每一個着色器都須要有一個main()函數，和c同樣這是程序的入口。
函數返回值能夠是任意類型，但不能是數組。函數參數有3種修飾符，分別是in,out,inout，分別表示輸入、輸出、既輸入又輸出。沒有指定默認爲in。函數還容許重載。

bool areyouhappy(in float money)
{
    if(money < 1000000000.0)
        return false;
    else
        return true;
}

五：Shader簡單示例
簡單的顏色Shader腳本：

//頂點Shader
//輸入頂點和顏色數據
attribute vec4 vVertex;
attribute vec4 vColor;
//輸出顏色插值到vVaryingColor中
varying vec4  vVaryingColor;
void main()
{
    vVaryingColor = vColor;
    gl_Position = vVertex;
}

//片斷Shader
//拿到通過插值後的vVaryingColor，將它設置到最終輸出的gl_FragColor變量中
varying vec4 vVaryingColor;
void main()
{
    gl_FragColor = vVaryingColor;
}

頂點着色器最主要的職責就是計算位置，因此頂點着色器至少須要寫入一個變量gl_Position，這個是GLSL內置的位置變量，須要將變換後的頂點座標賦予該變量。

片斷着色器主要職責是計算片斷顏色，因此須要將片斷最終顏色寫入內置的gl_FragColor變量中(或者將該片斷拋棄)。