OpenGL学习3——着色器

作者: 蓬篙人 | 来源:发表于2021-06-14 03:26 被阅读0次

着色器（shaders）

简单的理解，着色器就是将输入转换为输出的程序，同时着色器也是非常独立的程序，它们之间的通讯只能通过它们的输入和输出。

OpenGL着色器主要内容

1. GLSL

着色器典型的结构：

#version version_number
in type in_variable_name;
in type in_variable_name;

out type out_variable_name;

void main()
{
    // 处理输入，做一些图形操作
    // 将处理结果设置到输出变量
    out_variable_name = werid_stuff_we_processed;
}

1. 声明版本（和指定渲染模式）。
2. 定义输入变量。
3. 定义输出变量。
4. 在main函数中设置输出变量的值。

当针对顶点着色器时，输入变量也称为顶点属性（vertex attribute）。我们可以声明的顶点属性的最大数量由硬件限制，但是OpenGL保证我们至少可以使用16个4维顶点属性变量。硬件具体支持的数量可以通过查询GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS获得。

int nrAttributes;
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &nrAttributes);
std::cout << "Maximum nr of vertex attributes supported: " << nrAttributes << std::endl;

2. 类型

矢量（vector）：在GLSL中矢量是一个由1,2,3或4个基本类型组件组成的容器。可以有如下的形式（其中n代表组件的数量）：
- vecn：n个float的矢量（默认）。
- bvecn：n个boolean的矢量。
- ivecn：n个整数的矢量。
- uvecn：n个无符号整数的矢量。
- dvecn：n个double的矢量。
矢量通过vec.x, vec.y, vec.z, vec.w访问相应的组件。在GLSL中，颜色还可以通过rgba访问，纹理（texture）可以通过stpq访问。
矢量允许我们进行一些灵活的组件选择，叫做swizzling，语法类似下面的代码：

vec2 someVec;
vec4 differentVec = someVec.xyxx;
vec3 anotherVec = differentVec.zyw;
vec4 otherVec = someVec.xxxx + anotherVec.yxzy;
// 传入到构造函数中
vec2 vect = vec2(0.5, 0.7);
vec4 = result = vec4(vect, 0.0, 0.0);
vec4 otherResult = vec4(result.xyz, 1.0);

3. 输入和输出

当一个输出变量与下一着色器阶段的输入变量匹配时，变量将在两个着色器间传递。
在输入输出方面，比较特殊的两个着色器是顶点着色器和片元着色器。
- 1. 顶点着色器：直接从顶点数据接收输入，使用location元数据来指定输入变量以便我们可以在CPU侧配置顶点属性。
- 1. 片元着色器：因为片元着色器需要生成一个最终输出颜色，因此该着色器需要一个vec4的颜色输出变量。如果没有指定一个输出颜色，那么片元的颜色将是不确定的。
如果我们要在两个着色器之间传递变量，那么我们需要在发送的着色器中声明一个输出变量，在接收的着色器中声明一个匹配的输入变量。这样，在链接着色器程序时，两个着色器的变量会链接到一起。下面的着色器显示从顶点着色器传递颜色值到片元着色器。

// 顶点着色器
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;

out vec4 vertexColor;   // 指定一个颜色输出给片元着色器

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
    vertexColor = vec4(0.5, 0.0, 0.0, 1.0);   // 设置输出变量值 dark-red
}

// 片元着色器
#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec4 vertexColor;   // 从顶点着色器获取值的输入变量（相同的名称和数据类型）

void main()
{
    FragColor = vertexColor;  // 设置输出变量值
}

将上述着色器应用到我们前一篇博客的代码中，运行效果如下：

着色器传递变量效果

4. Uniforms

Uniforms是另一种从CPU侧，即我们的OpenGL程序传递数据到GPU中的着色器的方式。
Uniforms与顶点属性的区别：
- 1. Uniforms是全局的，意味着每个着色器程序对象中，uniform变量是唯一的，且可以从着色器程序中任何阶段的任何着色器进行访问。
- 1. 不管你将uniforms值设置为什么，值会一直保持直到被重置或更新。
使用uniform关键字声明Uniform变量。

#version 330 core
out vec4 FragColor;

uniform vec4 ourColor;   // 该变量的值在我们的OpenGL代码中设置

void main()
{
    FragColor = ourColor;  // 设置输出变量值
}

注意：如果你声明了一个uniform，但是没有在你的GLSL代码使用，那么编译器将会在编译版本中移除，这可能导致一些不确定的问题。
设置uniform变量的值

float timeValue = glfwGetTime();
float greenValue = (sin(timeValue) / 2.0f) + 0.5f;
int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");

glUseProgram(shaderProgram);
glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

1. glfwGetTime()函数获取程序运行时间，使用`sin()`函数转换为一个[0.0, 1.0]之间的颜色值。
2. glGetUniformLocation()函数查询uniform变量的位置（示例中为ourColor）。
3. 使用getUniform4f()函数设置uniform变量的值。

将上述片元着色器应用到我们前一篇博客的代码中，运行效果如下，矩形将在绿色和黑色之间变化：

Uniform设置效果图1

Uniform设置效果图2

5. 更多属性（attributes）

为顶点数据添加颜色属性：

// 顶点数据
float vertices[] = {
    // positions        // colors
    -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
     0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
     0.0f,  0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f
};

调整顶点着色器以接收顶点数据中的颜色属性：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;

out vec3 ourColor;

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
    ourColor = aColor;   // 将顶点数据输入的颜色设置为输出
}

调整片元着色器接收顶点着色器的颜色输出：

#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 ourColor;

void main()
{
    FragColor = vec4(ourColor, 1.0f);
}

包含位置和颜色属性的VBO内存可能如下图所示：（图片取自书中）
VBO内存示意图
使用glVertexAttribPointer函数更新顶点数据的格式，参数的值设置对比上图的内存情形：

// 1. 设置顶点位置属性
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// 2. 设置顶点颜色属性
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);

运行结果：

添加颜色属性运行效果

6. 编写我们自己的着色器类

编写一个着色器类将顶点着色器和片元着色器的创建和编译，以及着色器程序的链接封装起来。

// 着色器头文件
#pragma once

#include <glad/glad.h>

#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>

class Shader
{
public:
    // the program ID
    unsigned int ID;

    // constructor reads and builds the shader
    Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath);
    // use/active the shader
    void use();
    // utility uniform functions
    void setBool(const std::string& name, bool value) const;
    void setInt(const std::string& name, int value) const;
    void setFloat(const std::string& name, float value) const;
};

// 着色器类实现文件
#include <iostream>
#include <fstream>
#include "shader.h"

Shader::Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath)
{
    //------1. 从指定路径读取顶点/片元着色器程序内容
    std::string vertexCode;
    std::string fragmentCode;
    std::ifstream vShaderFile;
    std::ifstream fShaderFile;
    // ensure ifstream objects can throw exceptions
    vShaderFile.exceptions(std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
    fShaderFile.exceptions(std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
    try
    {
        // open file 
        vShaderFile.open(vertexPath);
        fShaderFile.open(fragmentPath);
        std::stringstream vShaderStream, fShaderStream;
        // read file's buffer contents into stream
        vShaderStream << vShaderFile.rdbuf();
        fShaderStream << fShaderFile.rdbuf();
        // close file handlers
        vShaderFile.close();
        fShaderFile.close();
        // convert stream into string
        vertexCode = vShaderStream.str();
        fragmentCode = fShaderStream.str();
    }
    catch(std::ifstream::failure e)
    {
        std::cout << "EEROR::SHADER::FILE_NOT_SUCCESFULLY_READ" << std::endl;
    }
    const char* vShaderCode = vertexCode.c_str();
    const char* fShaderCode = fragmentCode.c_str();
    //------2. 创建和编译着色器
    unsigned int vertex, fragment;
    int success;
    char infoLog[512];
    //---------2.1 创建和编译顶点着色器
    vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertex, 1, &vShaderCode, NULL);
    glCompileShader(vertex);
    // print compile errors if any
    glGetShaderiv(vertex, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(vertex, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    //---------2.2 创建和编译片元着色器
    fragment = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragment, 1, &fShaderCode, NULL);
    glCompileShader(fragment);
    glGetShaderiv(fragment, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(fragment, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    //------3. 链接着色器程序
    ID = glCreateProgram();
    glAttachShader(ID, vertex);
    glAttachShader(ID, fragment);
    glLinkProgram(ID);
    glGetProgramiv(ID, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetProgramInfoLog(ID, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINK_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    //------4. 链接着色器程序后删除着色器对象
    glDeleteShader(vertex);
    glDeleteShader(fragment);
}
// 激活着色器程序
void Shader::use()
{
    glUseProgram(ID);
}
// 一些辅助函数，用于设置unfirom的值
void Shader::setBool(const std::string& name, bool value) const
{
    glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), (int)value);
}

void Shader::setInt(const std::string& name, int value) const
{
    glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value);
}

void Shader::setFloat(const std::string& name, float value) const
{
    glUniform1f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value);
}

着色器类的调用

// 声明着色器类（路径取决于shader文件的存放位置，文件后缀无关紧要）
Shader ourShader("./shaders/VertexShader.vs", "./shaders/FragmentShader.fs");
// 在渲染循环中调用
ourShader.use();
ourShader.setFloat("ourColor", 0.2f);
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

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着色器（shaders）

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2. 类型

3. 输入和输出

4. Uniforms

5. 更多属性（attributes）

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