拓幻圖形學工程師教學手冊(第八講)|一字一字敲出OpenGL學習教程

上次教程關於光照，此次內容會比較複雜，關於着色器（Shader），GLSL（OpenGL Shading Language）。對於初次接觸圖形學的童鞋，可能比較晦澀。而且用Mac開發的同窗注意，本教程中有關Shader內容，環境均爲win下VS，但這並不表明Mac不支持Shader，只是須要配置一些環境，Google能夠百度一下。

6. 着色器(Shader)
   6.1 着色器分類
   還記得第一講中的管線圖嗎？有個詞叫光柵化，記得嗎？在光柵化以前都是對頂點進行變換，頂點光照和投影變換等，這些都是對頂點進行操做，其對應的着色器也叫作頂點着色器(Vertex Shader)。光柵化以後，進行片元處理，紋理映射等都是對片元的操做，對應的着色器也叫片元着色器(Fragment Shader)。固然也會有別的着色器，好比細分着色器，計算着色器等，有興趣能夠了解。
   
   6.2 GLSL概述
   首先介紹一下GLSL的變量類型。GLSL中，有四種類型參數：頂點屬性(attribute)，一致變量(uniform)，還有一種有人稱爲易變變量(varying)，可是這裏咱們將它稱爲out/in變量。varing是很早以前的版本，如今大部分都改成out/in了。最後一個是常數變量(const)。

頂點屬性(attribute)，是隻能在vertex shader中使用的變量，用來表示一些頂點的數據，如：頂點座標，法線，紋理座標，頂點顏色等。

一致變量(uniform)，是外部application程序傳遞給（vertex和fragment）shader的變量，能夠理解爲全局變量，而且是隻讀的屬性，不能經過shader來改變其值。

易變變量(out/in)，被從一個着色器傳遞至下一個着色器，至關於模塊之間的接口。在咱們上述提到的狀況裏，out變量來自於vertex shader，而後到fragment shader變爲in變量。固然，頂點屬性(attribute)變量能夠當作vertex shader的in變量。

常數變量(const)，這個就不用多作介紹了吧，和你理解的常量是一個意思。

瞭解了變量種類，來看看GLSL語言的風格。其實GLSL某種意義上更像是C語言爲圖形學的一種擴展語言。好比也有 int, ivec2, ivec3, ivec4，float, vec2, vec3, vec4 ，bool, bvec2, bvec3, bvec4等類型。vector的元素能夠經過"."來獲取，好比c1.rgba= c2.abgr 。固然也有不同的部分，好比沒有string類型，沒有枚舉enums，固然更沒有指針，而且數組也只能用一維數組。

這裏介紹一個GLSL的操做discard，片元丟棄。這是用在片元着色器進行丟棄當前片元的，效果以下：

咱們剛剛提到還有其餘類型的shader，好比細分着色器(Tessellation Shader)，幾何着色器(Geometry Shader)等，但咱們的材料只會說起頂點和片元着色器，其餘的不會涉及，以後有時間可能會作一組專門關於shader的教程，那時候會設計這些着色器。咱們看下shaders的流程圖吧：

接下里進入正題，首先從頂點着色器開始。

6.3 着色器示例代碼
頂點着色器(Vertex Shader)，會進行頂點變換，法線變換，法線歸一化，計算頂點光照，以及獲得頂點的紋理座標並將其傳到片元着色器。

內置的Vertex Shader變量主要用到的有：

vec4 gl_Vertex
vec3 gl_Normal
vec4 gl_Color
vec4 gl_MultiTexCoord0
mat4 gl_ModelViewMatrix
mat4 gl_ProjectionMatrix
mat4 gl_ModelViewProjectionMatrix
mat4 gl_NormalMatrix (this is the transpose of the inverse of the MV matrix)

vec4 gl_Position

片元着色器(Fragment Shader)，會進行顏色的計算，紋理映射，處理片元光照操做，還有顏色的融合以及片元丟棄等操做。

內置的Fragment Shader變量主要用到的有：

vec4 gl_FragColor

這樣就能夠寫出一個最簡單的vertex shader和fragment shader：

在vertex shader中有gl_ModelViewProjectionMatrix gl_Vertex這麼一句話，其實能夠分開，寫成gl_ProjectionMatrix gl_ModelViewMatrix gl_Vertex，可是變換每一個頂點時，投影矩陣都將乘上模型視圖矩陣，這顯然很是浪費時間，由於這些矩陣不是隨每一個頂點變化的。因此GLSL提供一些派生的矩陣，也就是說gl_ModelViewProjectionMatrix是上面兩個矩陣的乘積，因此便寫成gl_ModelViewProjectionMatrix gl_Vertex。