Learn OpenGL 03 着色器

时间：2024-03-17 20:31:46

GLSL

着色器的开头总是要声明版本，接着是输入和输出变量、uniform和main函数。每个着色器的入口点都是main函数，在这个函数中我们处理所有的输入变量，并将结果输出到输出变量中。

一个典型的着色器有下面的结构：

#version version_number
in type in_variable_name;
in type in_variable_name;

out type out_variable_name;

uniform type uniform_name;

int main()
{
  // 处理输入并进行一些图形操作
  ...
  // 输出处理过的结果到输出变量
  out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}

数据类型 

GLSL中包含C等其它语言大部分的默认基础数据类型：int、float、double、uint和bool。GLSL也有两种容器类型，分别是向量(Vector)和矩阵(Matrix)

向量

GLSL中的向量是一个可以包含有2、3或者4个分量的容器，分量的类型可以是前面默认基础类型的任意一个。它们可以是下面的形式（n代表分量的数量）：

类型 含义
vecn 包含n个float分量的默认向量
bvecn 包含n个bool分量的向量
ivecn 包含n个int分量的向量
uvecn 包含n个unsigned int分量的向量
dvecn 包含n个double分量的向量

大多数时候我们使用vecn，因为float足够满足大多数要求了。

向量这一数据类型也允许一些有趣而灵活的分量选择方式，叫做重组(Swizzling)。重组允许这样的语法：

vec2 someVec;
vec4 differentVec = someVec.xyxx;
vec3 anotherVec = differentVec.zyw;
vec4 otherVec = someVec.xxxx + anotherVec.yxzy;

你可以使用上面4个字母任意组合来创建一个和原来向量一样长的（同类型）新向量，只要原来向量有那些分量即可；然而，你不允许在一个vec2向量中去获取.z元素。我们也可以把一个向量作为一个参数传给不同的向量构造函数，以减少需求参数的数量：

vec2 vect = vec2(0.5, 0.7);
vec4 result = vec4(vect, 0.0, 0.0);
vec4 otherResult = vec4(result.xyz, 1.0);

输入与输出

顶点着色器从顶点数据中直接接收输入。为了定义顶点数据该如何管理，我们使用location这一元数据指定输入变量，这样我们才可以在CPU上配置顶点属性。

片段着色器，它需要一个vec4颜色输出变量，因为片段着色器需要生成一个最终输出的颜色。如果你在片段着色器没有定义输出颜色，OpenGL会把你的物体渲染为黑色（或白色）。

如果我们打算从一个着色器向另一个着色器发送数据，我们必须在发送方着色器中声明一个输出，在接收方着色器中声明一个类似的输入。当类型和名字都一样的时候，OpenGL就会把两个变量链接到一起，它们之间就能发送数据了（这是在链接程序对象时完成的）。

Uniform

Uniform是一种从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式，但uniform和顶点属性有些不同。首先，uniform是全局的(Global)。全局意味着uniform变量必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。第二，无论你把uniform值设置成什么，uniform会一直保存它们的数据，直到它们被重置或更新。

x修改Uniform的值：

首先需要找到着色器中uniform属性的索引/位置值。当我们得到uniform的索引/位置值后，我们就可以更新它的值了。这次我们不去给像素传递单独一个颜色，而是让它随着时间改变颜色：

如果glGetUniformLocation返回-1就代表没有找到这个位置值。最后，我们可以通过glUniform4f函数设置uniform值。注意，查询uniform地址不要求你之前使用过着色器程序，但是更新一个uniform之前你必须先使用程序（调用glUseProgram)，因为它是在当前激活的着色器程序中设置uniform的。

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)

因为OpenGL在其核心是一个C库，所以它不支持类型重载，在函数参数不同的时候就要为其定义新的函数；glUniform是一个典型例子。

uniform对于设置一个在渲染迭代中会改变的属性是一个非常有用的工具，它也是一个在程序和着色器间数据交互的很好工具

更多属性！

顶点数据中新加了颜色属性

float vertices[] = {
    // 位置              // 颜色
     0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f,   // 右下
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,   // 左下
     0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f    // 顶部
};

主要的变化就是要重新配置顶点属性指针

glVertexAttribPointer函数的前几个参数比较明了。这次我们配置属性位置值为1的顶点属性。颜色值有3个float那么大，我们不去标准化这些值。

由于我们现在有了两个顶点属性，我们不得不重新计算步长值。为获得数据队列中下一个属性值（比如位置向量的下个x分量）我们必须向右移动6个float，其中3个是位置值，另外3个是颜色值。这使我们的步长值为6乘以float的字节数（=24字节）。
同样，这次我们必须指定一个偏移量。对于每个顶点来说，位置顶点属性在前，所以它的偏移量是0。颜色属性紧随位置数据之后，所以偏移量就是3 * sizeof(float)，用字节来计算就是12字节。

// 位置属性
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// 颜色属性
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3* sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);

创建自己的着色器类并且从文件读取

创建一个Shader.h和Shader.cpp两个文件

Shader.h文件主要存放Shader类和其中的函数声明，方便随时查看其中函数的功能

Shader.cpp文件主要存放函数的定义

要从文件读取着色器必须使用使用C++文件流

CPU不能直接读取硬盘中的内容，必须先移动到内存中，也就是要经过硬盘-->FileBuffer-->StringBuffer,之后因为OpenGL不操作String，操作的是char数组，所以我们要一个String的缓存把StringBuffer里的东西变成char数组。

Shader.h

#pragma once
#include <string>
class Shader
{
public:
	Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath); // 构造器读取并构建着色器
	std::string vertexString;
	std::string fragmentString;
	const char* vertexSource;
	const char* fragmentSource;
	unsigned int ID;  //Shader Program ID
	void use();  // 使用/激活程序

	// uniform工具函数
	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;
private:
	void checkCompileErrors(unsigned int ID, std::string type);//检查着色器或者程序是否编译错误
};

Shader.cpp

#include "Shader.h"
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <SStream>

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <iostream>

using namespace std;

Shader::Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath)
{
	//从文件路径中获取顶点/片段着色器
	ifstream vertexFile;
	ifstream fragmentFile;
	stringstream vertexSStream;
	stringstream fragmentSStream;
	//打开文件
	vertexFile.open(vertexPath);//与硬盘文件建立链接
	fragmentFile.open(fragmentPath);
	//保证ifstream对象可以抛出异常：
	vertexFile.exceptions(ifstream::failbit || ifstream::badbit);//检查是否打开失败或者读取到了坏文件
	fragmentFile.exceptions(ifstream::failbit || ifstream::badbit);

	try
	{
		if (!vertexFile.is_open() || !fragmentFile.is_open())
		{
			throw exception("open file error");
		}

		//读取文件缓冲内容到数据流
		vertexSStream << vertexFile.rdbuf();//硬盘-->FileBuffer-->StringBuffer
		fragmentSStream << fragmentFile.rdbuf();

		//转换数据流到string
		vertexString = vertexSStream.str();
		fragmentString = fragmentSStream.str();

		vertexSource = vertexString.c_str();
		fragmentSource = fragmentString.c_str();

		// 编译着色器
		unsigned int vertex, fragment;
		// 顶点着色器
		vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
		glShaderSource(vertex, 1, &vertexSource, NULL);
		glCompileShader(vertex);
		checkCompileErrors(vertex, "VERTEX");

		// 片段着色器
		fragment = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
		glShaderSource(fragment, 1, &fragmentSource, NULL);
		glCompileShader(fragment);
		checkCompileErrors(fragment, "FRAGMENT");

		// 着色器程序
		ID = glCreateProgram();
		glAttachShader(ID, vertex);
		glAttachShader(ID, fragment);
		glLinkProgram(ID);
		checkCompileErrors(ID, "PROGRAM");

		// 删除着色器，它们已经链接到我们的程序中了，已经不再需要了
		glDeleteShader(vertex);
		glDeleteShader(fragment);

	}
	catch (const std::exception& ex)
	{
		printf(ex.what());
	}
}

void Shader::use()
{
	glUseProgram(ID);
}

void Shader::checkCompileErrors(unsigned int ID, std::string type) {
	int sucess;
	char infolog[512];

	if (type != "PROGRAM")
	{
		glGetShaderiv(ID, GL_COMPILE_STATUS, &sucess);
		if (!sucess)
		{
			glGetShaderInfoLog(ID, 512, NULL, infolog);
			cout << "shader compile error:" << infolog << endl;
		}
	}
	else
	{
		glGetProgramiv(ID, GL_LINK_STATUS, &sucess);
		if (!sucess)
		{
			glGetProgramInfoLog(ID, 512, NULL, infolog);
			cout << "program linking error:" << infolog << endl;
		}
		cout << "编译成功!" << endl;
	}
}

main.cpp

只需要加上两句代码就可以了,这里的两个txt文件需要自己创建一个，之后就可以循环使用了

  Shader* myshader = new Shader("vertexSource.txt", "fragmentSource.txt");
[...]

  myshader->use();

练习

1.修改顶点着色器让三角形上下颠倒：参考解答

将顶点着色器输出的y坐标取反即可

#version 330 core									  
layout(location = 0) in vec3 aPos;   // 位置变量的属性位置值为 0
layout(location = 1) in vec3 aColor; // 颜色变量的属性位置值为 1
out vec4 vertexColor;								   
void main(){										   
   gl_Position = vec4(aPos.x, -aPos.y, aPos.z, 1.0);   
   vertexColor = vec4(aColor,1.0);					   
}

2.使用uniform定义一个水平偏移量，在顶点着色器中使用这个偏移量把三角形移动到屏幕右侧：参考解答

顶点着色器的x坐标加上一个随时间增加的偏移量即可

//main.cpp
myshader->setFloat("offset", 0.01+glfwGetTime());


#version 330 core									  
layout(location = 0) in vec3 aPos;   // 位置变量的属性位置值为 0
layout(location = 1) in vec3 aColor; // 颜色变量的属性位置值为 1
out vec4 vertexColor;	
uniform float offset;
void main(){										   
   gl_Position = vec4(aPos.x+offset, aPos.y, aPos.z, 1.0);   
   vertexColor = vec4(aColor,1.0);					   
}

3.使用out关键字把顶点位置输出到片段着色器，并将片段的颜色设置为与顶点位置相等（来看看连顶点位置值都在三角形中被插值的结果）。做完这些后，尝试回答下面的问题：为什么在三角形的左下角是黑的?：参考解答

三角形的左下角是黑的，是因为左下角顶点（-0.5，-0.5，0），因为颜色值是0到1，负值会被截断到0，就是黑色。插值以后靠近左下角的地方就是黑色的

vertex 

#version 330 core									  
layout(location = 0) in vec3 aPos;   // 位置变量的属性位置值为 0
layout(location = 1) in vec3 aColor; // 颜色变量的属性位置值为 1
out vec4 vertexColor;	
out vec3 pos;
uniform float offset;
void main(){										   
   gl_Position = vec4(aPos.x+offset, aPos.y, aPos.z, 1.0);   
   vertexColor = vec4(aColor,1.0);		
   pos = aPos;
}

fragment

#version 330 core			
in vec4 vertexColor;			
out vec4 FragColor;	
in vec3 pos;
void main(){				
	FragColor = vec4(pos,1);

	}

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