A Simple OpenGL Shader Example II

A Simple OpenGL Shader Example II

eryar@163.com

Abstract. The OpenGL Shading Language syntax comes from the C family of programming languages. Tokes, identifiers, semicolons, nesting with curly braces, control-flow, and many key words look like C. GLSL provides three qualifiers which form the interfaces of the shaders to their outside world.

Key Words. OpenGL, GLSL, Qualifiers,

1. Introduction

GLSL的特性与C/C++非常类似，包括它的数据类型。GLSL有三种基本数据类型：float, int和bool，及由这些数据类型组成的数组和结构体。需要注意的是GLSL并不支持指针。

GLSL 中有4个限定符（Qualifier）可供使用，它们限定了被标记的变量不能被更改的“范围”。及通过这几个限定符可以与OpenGL的程序来通信，即为 OpenGL程序提供了一个将数据传递给Shader的界面（Interface to a Shader）。

OpenCASCADE中使用GLSL实现了Ray Tracing效果，刚开始使用第三方库OpenCL来使用GPU加速，最新版本统一使用GLSL。

Figure 1.1 OpenGL Training

在《OpenGL高级编程技术培训教材》中，GLSL也是一个重要内容。虽然当时听得云里雾里，还是要感谢公司提供这样的培训机会。

2.GLSL Data Types

GLSL内置了许多数据类型，使图形操作的表达式计算更方便。布尔类型、整型、矩阵、向量及结构、数组等都包括在内。

Scalars
float	Declares a single floating-point number.
int	Declares a single integer number.
bool	Declares a single Boolean number.

这三种是GLSL的基本类型。

Vectors
vec2	Vector of two floating-point numbers
vec3	Vector of three floating-point numbers
vec4	Vector of four floating-point numbers
ivec2	Vector of two integers
ivec3	Vector of three integers
ivec4	Vector of four integers
bvec2	Vector of two booleans
bvc3	Vector of three booleans
bvc4	Vector of four booleans

向量非常有用，可以用来存储和操作颜色、位置、纹理坐标等等。GLSL内置的很多变量及函数中就大量使用了向量。

Matrices
mat2	2x2 matrix of floating-point numbers
mat3	3x3 matrix of floating-point numbers
mat4	4x4 matrix of floating-point numbers

矩阵主要用来实现线性变换。

Samplers
sampler1D	Accesses a one-dimensional texture
sampler2D	Accesses a two-dimensional texture
sampler3D	Accesses a three-dimensional texture
samplerCube	Accesses a cube-map texture
sampler1DShadow	Accesses a one-dimensional depth texture with comparison
sampler2DShadow	Accesses a two-dimensional depth texture with comparison

3.Qualifiers

GLSL有4个限定符可供使用，它们限定了被标记的变量不能被更改的范围：

Qualifiers
attribute	For frequently changing information, from the application to a vertex shader
uniform	For infrequently changing information, from the application to either a vertex shader or a fragment shader
varying	For interpolated information passed from a vertex shader to a fragment shader
const	For declaring nonwritable, compile-time constant variables as in C

const限定符和C/C++里的相同，表示限定的变量在编译时不可被修改，即它标记了一个常量。const限定符是4个限定符中被标记变量不可被更改的范围最大的。其余3个限定符是GLSL特有的，所以它们都用在着色器内部声明变量。

attribute限定符标记的是一种全局变量，该变量被用作从OpenGL应用程序向顶点着色器中传递参数，因此该限定符仅用于顶点着色器。

uniform限定符也标也一种全局变量，该变量对于一个图元来说是不可改变的。同attribute限定符一样，uniform可以从OpenGL应用程序中接收传递过来的数据。uniform限定符可以用于顶点着色器和像素着色器。

最后GLSL还提供了从顶点着色器向片段着色器传递数据的方法，即使用varying限定符。

4.Code Example

在《A Simple OpenGL Shader Example》
中已经成功实现了一个带Shader的OpenGL程序。事实上这是两个相对独立的Shader，它们只能使用OpenGL内置的变量从外部OpenGL
程序中获取一些数据。比如当前顶点坐标、当前像素颜色等。这些Shader还没有自定义的变量，以便从OpenGL程序中传递数据。通常程序的设计者需要
在OpenGL程序中更好地控制shader的行为，这就需要从OpenGL程序向shader传递数据。

如上述的4个限定符，可以用来声明变量帮助shader从外部获取数据。其中uniform变量可以用来从OpenGL程序中给vertex shader或fragment shader传递数据，最很常用的一个限定符变量。将《A Simple OpenGL Shader Example》中的程序稍做修改，使得片段shader可以收到一个来自OpenGL程序里面的数据。

实现的主要代码在这两个函数中：

void ShaderWidget::paintGL()
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
 
    mAngle += 0.1;
    glRotatef(mAngle, 0.0, 1.0, 1.0);
 
    // update uniform variable value
    mShaderProgram->setUniformValue(mTimeId, mAngle);
 
    glutSolidTeapot(1.0);
    //glutWireTeapot(1.0);
}
void ShaderWidget::setShader()
{
    if (!isValid())
    {
        return;
    }
 
    const QGLContext* aGlContext = context();
 
    mShaderProgram = new QGLShaderProgram(aGlContext);
 
    //mShaderProgram->addShaderFromSourceFile(QGLShader::Vertex, "vertex.vs");
    mShaderProgram->addShaderFromSourceFile(QGLShader::Fragment, "uniform.fs");
 
    mShaderProgram->link();
    mShaderProgram->bind();
    QString aLog = mShaderProgram->log();
 
    // save the location of the uniform variable name within the shader program.
    mTimeId = mShaderProgram->uniformLocation("v_time");
}

首 先通过QShaderProgram的函数uniformLocation()给GLSL中的变量用一个整数标记，对应在OpenGL中的函数是 GLint glGetUniformLocation(GLuint program, const char* name)；再通过函数setUniformValue()来更新GLSL中变量的值，对应OpenGL中的函数为：glUniform{1234} (if,ui}。最后只用了一个片段着色器，代码如下所示：

// time(passed in from the application)
uniform float v_time; 
 
void main()
{
    float fr = 0.9 * sin(0.0 + v_time*0.05) + 1.0;
    float fg = 0.9 * cos(0.33 + v_time*0.05) + 1.0;
    float fb = 0.9 * sin(0.67 + v_time*0.05) + 1.0;
 
    gl_FragColor = vec4(fr/2.0, fg/2.0, fb/2.0, 1.0);
}

运行程序，当程序视图重绘时就会改变茶壶的颜色，如下图所示：

Figure 4.1 Test uniform variable in GLSL

当将uniform.fs中的v_time改名后，就会发现视图一片漆黑，说明shader已经起作用了。

5.Conclusion

综上所述，GLSL中通过限定符Qualifiers来实现OpenGL程序与GLSL的数据传递。其中uniform变量可以用来从OpenGL程序向片段着色器和顶点传递数据，是很常用的一种方式。

本文在Qt中测试了uniform变量效果，可以发现Qt对OpenGL的面向对象封装还是很方便使用，也很容易找到与之对应的OpenGL函数。通过学习使用Qt中的OpenGL来方便学习理解OpenGL相关知识点。

6. References

1. san. Shader support in OCCT6.7.0. http://dev.opencascade.org/index.php?q=node/902

2. Qt Assistant.

PDF version and Source code: A Simple OpenGL Shader Example II