OpenGL 着色器详解

1. GLSL语言

glsl语言是用来编写着色器的，通过一段一段包含main函数的程序片段，告诉渲染引擎怎么去渲染内容。

glsl语言的语法有点类似c语言风格，只是增加了一些特有的关键字来修饰变量，下面是一个着色器基本的程序结构：

首先声明的是GLSL的版本号和模式，然后就是声明变量。像其他语言一样，声明变量我们要包括数据类型和变量名两个部分。而在GLSL中，我们还要指定变量的类型。

• in，通过in关键字来声明，现在声明的变量是一个输入变量。
• out，对应的out关键字表明这是一个输出变量。
• uniform，而uniform就比较厉害了，他代表生成的变量是一个全局变量。

最后一部分就是主函数main。我们在这里处理输入输出值。

2. 输入变量in

首先我们可以定义的输入变量的个数是有限的，这一般取决于硬件，但OpenGL至少还是会为我们保留16个输入变量可用。我们可以查询GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS来获取具体的上限：

 3. 输出变量out

由于片段着色器直接输出色值交个显卡渲染，下一个阶段不会对色值进行处理，所以我们生成的输出变量无需与下一个阶段产生联系。但是试想一下，如果我们在顶点着色器中，想传递一个参数给片段着色器怎么办呢？**我们要建立起输入变量和输出变量间的关系。**怎么建立呢，GLSL给了我们一个很简单的方式来建立联系，一致的数据类型及变量名称即可。

顶点着色器

片段着色器

 4 . 全局变量

全局的作用范围作用于整个着色器程序上。也就是你把带有全局变量x的着色器源码编译在着色器A上，再把A添加到着色器程序B上，那么B中的所有着色器都可以使用变量x。并且在GL编码中，也可以通过对应的着色器程序获取到指定的全局变量x。

这里我们仅提供一个在片段着色器中使用全局变量的示例：

片段着色器

渲染循环

 5. 数据类型

向量

向量重组

 6. glVertexAttribPointer

这是一个设置顶点变量属性的函数，通过它可以设置步长，偏移量和位置

顶点数据

顶点着色器

片段着色器

我们看到，顶点着色器中，我们声明了两个输入变量。一个代表位置，一个代表颜色。然后我们要把颜色值传给片段着色器，所以要声明一个输出变量，在片段着色器中在声明一个以一样的输入变量，如此，颜色也就从顶点着色器传到片段着色器中了。

着色器配置完成，我们还要设置顶点数据的属性。

 7. Shader Class

一个着色器程序就是一个最小的绘制单元。其绘制结果直接取决于两个着色器。基于面向对象的思想，我们希望对其进行封装。

我们来梳理一下加载着色器的代码：

创建着色器对象->附加着色器源码并编译->创建着色器程序->绑定着色器->链接着色器

基于上述过程，我们封装了一下着色器程序的类：

  1 #ifndef Shader_hpp
  2 #define Shader_hpp
  3
  4 #include <glad/glad.h>
  5 #include <GLFW/glfw3.h>
  6 #include <string>
  7 #include <fstream>
  8 #include <sstream>
  9 #include <iostream>
 10
 11 class Shader {
 12     public:
 13     ///着色器程序ID
 14     unsigned int ID;
 15     ///构造器读取着色器
 16     Shader(const GLchar * vertexPath,const GLchar * fragmentPath) {
 17         std::string vertexCode;
 18         std::string fragmentCode;
 19         std::ifstream vShaderFile;
 20         std::ifstream fShaderFile;
 21         // ensure ifstream objects can throw exceptions:
 22         vShaderFile.exceptions (std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
 23         fShaderFile.exceptions (std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
 24         try
 25         {
 26             ///打开文件
 27             vShaderFile.open(vertexPath);
 28             fShaderFile.open(fragmentPath);
 29             std::stringstream vShaderStream, fShaderStream;
 30             ///读取文件
 31             vShaderStream << vShaderFile.rdbuf();
 32             fShaderStream << fShaderFile.rdbuf();
 33             ///关闭文件
 34             vShaderFile.close();
 35             fShaderFile.close();
 36             ///获取源码
 37             vertexCode   = vShaderStream.str();
 38             fragmentCode = fShaderStream.str();
 39         }
 40         catch (std::ifstream::failure e)
 41         {
 42             std::cout << "ERROR::SHADER::FILE_NOT_SUCCESFULLY_READ" << std::endl;
 43         }
 44         ///获取c字符串
 45         const char* vShaderCode = vertexCode.c_str();
 46         const char * fShaderCode = fragmentCode.c_str();
 47         ///编译
 48         unsigned int vertex, fragment;
 49         ///顶点着色器
 50         vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
 51         glShaderSource(vertex, 1, &vShaderCode, NULL);
 52         glCompileShader(vertex);
 53         checkCompileErrors(vertex, "VERTEX");
 54         ///片段着色器
 55         fragment = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
 56         glShaderSource(fragment, 1, &fShaderCode, NULL);
 57         glCompileShader(fragment);
 58         checkCompileErrors(fragment, "FRAGMENT");
 59         ///着色器程序
 60         ID = glCreateProgram();
 61         glAttachShader(ID, vertex);
 62         glAttachShader(ID, fragment);
 63         glLinkProgram(ID);
 64         checkCompileErrors(ID, "PROGRAM");
 65         ///释放着色器
 66         glDeleteShader(vertex);
 67         glDeleteShader(fragment);
 68     }
 69
 70     ///激活主色器程序
 71     void use() {
 72         glUseProgram(ID);
 73     }
 74
 75     ///uniform setter
 76     void setBool(const std::string &name ,GLboolean value) const {
 77         glUniform1i(glGetUniformLocation(ID,name.c_str()),(GLint)value);
 78     }
 79     void setInt(const std::string &name ,GLint value) const {
 80         glUniform1i(glGetUniformLocation(ID,name.c_str()),value);
 81     }
 82     void setFloat(const std::string &name ,GLfloat value) const {
 83         glUniform1f(glGetUniformLocation(ID,name.c_str()),value);
 84     }
 85     void setVec4f(const std::string &name ,GLfloat x,GLfloat y,GLfloat z,GLfloat w) const {
 86         glUniform4f(glGetUniformLocation(ID,name.c_str()),x,y,z,w);
 87     }
 88
 89 private:
 90     ///检查编译错误
 91     void checkCompileErrors(unsigned int shader, std::string type)
 92     {
 93         int success;
 94         char infoLog[1024];
 95         if (type != "PROGRAM")
 96         {
 97             glGetShaderiv(shader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
 98             if (!success)
 99             {
100                 glGetShaderInfoLog(shader, 1024, NULL, infoLog);
101                 std::cout << "ERROR::SHADER_COMPILATION_ERROR of type: " << type << "\n" << infoLog << "\n -- --------------------------------------------------- -- " << std::endl;
102             }
103         }
104         else
105         {
106             glGetProgramiv(shader, GL_LINK_STATUS, &success);
107             if (!success)
108             {
109                 glGetProgramInfoLog(shader, 1024, NULL, infoLog);
110                 std::cout << "ERROR::PROGRAM_LINKING_ERROR of type: " << type << "\n" << infoLog << "\n -- --------------------------------------------------- -- " << std::endl;
111             }
112         }
113     }
114 };
115
116 #endif /* Shader_hpp */