OpenGL进阶(十一) - GLSL4.x中的数据传递

in out

对于 vertex shader，每个顶点都会包含一次，它的主要工作时处理关于定点的数据，然后把结果传递到管线的下个阶段。

以前版本的GLSL，数据会通过一些内建变量，比如gl_Vertex和gl_Normal,但现在，通常时使用通用顶点属性（ generic vertex attributes）来提供，通常和一个Buffer object 想关联。对于程序员来说，现在可以自由去定义一些顶点的属性集来提供输入，只要在开头的时候用in 关键字来声明就可以了。

还有一种方式就是使用uniform variables。这种变量和属性变量的区别:属性变量是指每个顶点shader调用时，都会根据属性的位置从顶点缓冲中装入该顶点的相应属性值，而uniform变量，则对每个draw调用保持不变，这意味着你在draw调用前装入该变量，然后draw中每个顶点shader执行时，都能访问该变量，而且该变量值会保持不变。它可以声明在一个或者多个shader中，如果时声明在多个shader中，变量的类型必须一致。uniform变量常用来存储一些draw执行时候的常量数据，比如光照参数、变化矩阵、纹理对象句柄等等。

下面是基于GLSL入门的例子的一个修改，通过增加一个uniform的旋转变量，对每个顶点进行旋转一定的角度。

首先是basic.vert:

#version 400

layout (location = 0) in  vec2 in_Position;
layout (location = 1) in  vec3 in_Color;
out vec3 ex_Color;
uniform mat4 RotationMatrix;

void main(void) {

    gl_Position = RotationMatrix * vec4(in_Position.x, in_Position.y, 0.0, 1.0);
    ex_Color = in_Color;
}

增加了uniform的4维矩阵变量，存储旋转矩阵。

在main.cpp中修改如下：

首先添加一下头文件，因为要用到glm库。

#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
using glm::mat4;
using glm::vec3;

然后在renderGL中修改代码如下：

glUseProgram(programHandle);
 	float angle = 30;
 	mat4 rotationMatrix = glm::rotate(mat4(1.0f), angle, vec3(0.0f,0.0f,1.0f));
	GLuint location =glGetUniformLocationg(programHandle,"RotationMatrix");

	if( location >= 0 )
	{
		glUniformMatrix4fv(location, 1, GL_FALSE,&rotationMatrix[0][0]);
	}

	//Draw a square
	int i;
 	for (i=2; i <=4; i++)
    {
        /* Make our background black */
        glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        /* Invoke glDrawArrays telling that our data is a line loop and we want to draw 2-4 vertexes */
        glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, 0, i);
    }

    // Unbind shader
    glUseProgram(0);

修改的部分首先是生成选装的矩阵，glGetUniformLocation用于检测是否存在一个变量，然后通过glUniformMatrix4fv来绑定数值，最后在绘制的时候，shader就可以调用uniform数据了。

使用uniform blocks和uniform buffer object

UBO，顾名思义，就是一个装载Uniform变量数据的Buffer Object。就概念而言，它跟VBO之类Buffer Object差不多，反正就是显存中一块用于储存特定数据的区域了。在OpenGL端，它的创建、更新、销毁的方式都与其他Buffer Object没什么区别，我们只不过把一个或多个uniform数据交给它，以替代glUniform的方式传递数据而已。这里必须明确一点，这些数据是给到这个UBO，存储于这个UBO上，而不再是交给ShaderProgram，所以它们不会占用这个ShaderProgram自身的uniform存储空间，所以UBO是一种全新的传递数据的方式，从路径到目的地，都跟传统uniform变量的方式不一样。自然，对于这样的数据，在Shader中不能再使用上面代码中的方式来指涉了。随着UBO的引入，GLSL也引入了uniform block这种指涉工具。

uniform block是Interface block的一种，（layout意义容后再述）在unifom关键字后直接跟随一个block name和大括号，里面是一个或多个uniform变量。一个uniform block可以指涉一个UBO的数据——我们要把block里的uniform变量与OpenGL里的数据建立关联。

还是基于上面的例子进行修改，我们需要达到下面的效果

首先我们重新写一个basic.frag

#version 400

in  vec3 texCoord;
layout(location = 0) out vec4 fragColor;

uniform blobSettings{
	vec4 innerColor;
	vec4 outerColor;
	float radiusInner;
	float radiusOuter;
};

void main(void) {
    float dx = abs(texCoord.x) - 0.5;
    float dy = texCoord.y -0.5;
    float dist = sqrt(dx*dx + dy*dy);
    fragColor = mix(innerColor, outerColor, smoothstep(radiusInner, radiusOuter, dist));
}

首先定义texCoord作为从vertex shader的输如，然后fragColor作为输出，对图形对像素进行挨个着色。

basic.vert改变不是很大，增加了一个纹理坐标。

layout (location = 0) in  vec3 inPosition;
layout (location = 1) in  vec3 vertexTextCoord;
out vec3 texCoord;

void main(void) {
 	texCoord = vertexTextCoord;
    gl_Position = vec4(inPosition, 1.0);
}

main.c中需要添加一个函数用于初始化UBO，对Uniform block中的数据进行绑定。

void initUniformBlockBuffer()
{
    // Get the index of the uniform block
    GLuint blockIndex = glGetUniformBlockIndex(programHandle, "blobSettings");

    // Allocate space for the buffer
    GLint blockSize;
    glGetActiveUniformBlockiv(programHandle, blockIndex,
                              GL_UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE, &blockSize);
    GLubyte * blockBuffer;
    blockBuffer = (GLubyte *) malloc(blockSize);

    // Query for the offsets of each block variable
    const GLchar *names[] = { "innerColor", "outerColor",
                              "radiusInner", "radiusOuter" };

    GLuint indices[4];
    glGetUniformIndices(programHandle, 4, names, indices);

    GLint offset[4];
    glGetActiveUniformsiv(programHandle, 4, indices, GL_UNIFORM_OFFSET, offset);

    // Store data within the buffer at the appropriate offsets
    GLfloat outerColor[] = {0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f};
    GLfloat innerColor[] = {1.0f, 0.0f, 0.75f, 1.0f};
    GLfloat innerRadius = 0.25f, outerRadius = 0.45f;

    memcpy(blockBuffer + offset[0], innerColor, 4 * sizeof(GLfloat));
    memcpy(blockBuffer + offset[1], outerColor, 4 * sizeof(GLfloat));
    printf("Initsa VSBO!\n");
    memcpy(blockBuffer + offset[2], &innerRadius, sizeof(GLfloat));
    memcpy(blockBuffer + offset[3], &outerRadius, sizeof(GLfloat));

    // Create the buffer object and copy the data
    GLuint uboHandle;
    glGenBuffers( 1, &uboHandle );
    glBindBuffer( GL_UNIFORM_BUFFER, uboHandle );
    glBufferData( GL_UNIFORM_BUFFER, blockSize, blockBuffer, GL_DYNAMIC_DRAW );

    // Bind the buffer object to the uniform block
    glBindBufferBase( GL_UNIFORM_BUFFER, blockIndex, uboHandle );
}

shader的初始化函数也要进行一些修改：

void initShader()
{
 /* We're going to create a square made from lines */

 const GLfloat positionData[4][3] = {
    {  -1.0,  1.0, 0.0   }, /* Top point */
    {  1.0,  1.0, 0.0  }, /* Right point */
    {  1.0, -1.0, 0.0  }, /* Bottom point */
    { -1.0,  -1.0, 0.0  } }; /* Left point */  

    float tcData[] = {

        0.0f, 0.0f,
        1.0f, 0.0f,
        1.0f, 1.0f,
        1.0f, 0.0f,
        1.0f, 1.0f,
        0.0f, 0.0f
    };

    /* These pointers will receive the contents of our shader source code files */
    GLchar *vertexsource, *fragmentsource;

    /* These are handles used to reference the shaders */
    GLuint vertexshader, fragmentshader;

    /* This is a handle to the shader program */
    GLuint shaderprogram;

     /* Allocate and assign a Vertex Array Object to our handle */
    glGenVertexArrays(1, &vao);

    /* Bind our Vertex Array Object as the current used object */
    glBindVertexArray(vao);

    /* Allocate and assign two Vertex Buffer Objects to our handle */
    glGenBuffers(2, vbo);

    /* Bind our first VBO as being the active buffer and storing vertex attributes (coordinates) */
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);

    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 12 * sizeof(GLfloat), positionData, GL_STATIC_DRAW);

      /* Specify that our coordinate data is going into attribute index 0, and contains two floats per vertex */
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);

    /* Enable attribute index 0 as being used */
    glEnableVertexAttribArray(0);

    /* Bind our second VBO as being the active buffer and storing vertex attributes (colors) */
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[1]);

    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 12 * sizeof(GLfloat), tcData, GL_STATIC_DRAW);

    /* Specify that our color data is going into attribute index 1, and contains three floats per vertex */
     glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);

    /* Enable attribute index 1 as being used */
    glEnableVertexAttribArray(1);

	vShader = glCreateShader( GL_VERTEX_SHADER );
	fShader = glCreateShader( GL_FRAGMENT_SHADER );
	printf("Here\n");
	if(0 == vShader || 0 == fShader)
	{
		fprintf(stderr, "Error creating vertex shader.\n");
		quit(1);
	}

	GLchar* vShaderCode = textFileRead("basic.vert");
	GLchar* fShaderCode = textFileRead("basic.frag");
	const GLchar* vCodeArray[1] = {vShaderCode};
	const GLchar* fCodeArray[1] = {fShaderCode};
	glShaderSource(vShader, 1, vCodeArray, NULL);
	glShaderSource(fShader, 1, fCodeArray, NULL);

	glCompileShader(vShader);
	glCompileShader(fShader);
	free(vShaderCode);
	free(fShaderCode);

	GLint result;
	glGetShaderiv( vShader, GL_COMPILE_STATUS, &result );
	if( GL_FALSE == result )
	{
		fprintf( stderr, "Vertex shader compilation failed!\n" );
		GLint logLen;
		glGetShaderiv( vShader, GL_INFO_LOG_LENGTH, &logLen );
		if( logLen > 0 )
		{
			char * log = (char *)malloc(logLen);
			GLsizei written;
			glGetShaderInfoLog(vShader, logLen, &written, log);
			fprintf(stderr, "Shader log:\n%s", log);
			free(log);
		}
	}

	programHandle = glCreateProgram();
	if(0 == programHandle)
	{
		fprintf(stderr, "Error creating programHandle.\n");
		quit(1);
	}

	glAttachShader(programHandle, vShader);
	glAttachShader(programHandle, fShader);

	glBindAttribLocation(programHandle, 0, "in_Position");
	glBindAttribLocation(programHandle, 1, "in_Color");

	glLinkProgram(programHandle);
}

渲染的时候直接画一个正方形就可以了。

glUseProgram(programHandle);
glDrawArrays(GL_QUADS,0,4);
glUseProgram(0); 

编译命令

g++ main.c -o main -l SDL -lGL -lGLU -lglut -lGLEW

*shader调试的一点小技巧

由于没办法在shader使用打印语句，所以shader调试起来会有点麻烦，我们可以用glGet方法来获取一些状态变量来判断shder的状态，更常用的是改变shader的代码，然后利用渲染的结果来进行调试。比如：

void main(){
  float bug=0.0;
  vec3 tile=texture2D(colMap, coords.st).xyz;
  vec4 col=vec4(tile, 1.0);

  if(something) bug=1.0;

  col.x+=bug;

  gl_FragColor=col;
}

代码下载

写一个C++的shader类

GLSL的基本的知识到现在已经接触得差不多了，接下来为了更方便的学习，现在把shader封装成一个class， 加入到之前的框架。

代码就不贴了，点我去下载。

参考

OpenGL/GLSL数据传递小记(3.x) - http://www.zwqxin.com/archives/shaderglsl/communication-between-opengl-glsl-2.html

OpenGL 4.0 Shading Language Cookbook