引言
一个OpenGL程序可以用多种方式和shader通信。注意这种通信是单向的,因为shader的输出只能是渲染到某些目标,比如颜色和深度缓存。 OpenGL的部分状态可以被shader访问,因此程序改变OpenGL某些状态就可以与shader进行通信了。例如一个程序想把光的颜色传给shader,可以直接调用OpenGL接口,就像使用固定功能流水线时做的那样。 不过,使用OpenGL状态并不是设置shader中使用数据的直观方式。比如一个shader需要一个表示时间变化的变量来计算动画,在OpenGL状态中就没有现成的变量可用。当然,你可以使用没有用到的“镜面光截止角度(cutoffangle)”这样一个变量表示时间,但显然让人难以接受。 幸运的是,GLSL允许用户自定义变量,实现OpenGL应用程序与shader通信。有了这个功能,你就可以命名一个叫做timeElapsed的变量表示经过的时间。 上文的讨论涉及到了GLSL提供的两种类型修饰符(更多的类型将在后面提到): ·一致变量(Uniform) ·属性(Attribute) 在shader中定义的变量如果用这两种类型修饰符,表示对shader来说,它们是只读的。下面将详细讲述怎样使用这些类型的变量。 还有一种将变量送给shader的方法:使用纹理。一个纹理不止可以表示一张图片,它还可以表示一个数组。事实上,你完全可以决定如何在shader中解释纹理数据,即使它真是一幅图片。
数据类型和变量 下面是GLSL中的基本数据类型:·float ·bool ·int 浮点类型与C中类似,布尔类型可以为true或false。这些基本类型可以组成2、3或4维向量,如下所示: ·vec{2,3,4} a vector of 2,3,or 4 floats ·bvec{2,3,4} bool vector ·ivec{2,3,4} vector of integers GLSL还包括2×2、3×3或4×4型矩阵,因为这些矩阵类型在图形处理中很常用: ·mat2 ·mat3 ·mat4 此外,还有一组用来实现纹理访问的特殊类型,它们被称为采样器(sampler),在读取纹理值(也称为纹素texel)时用到。下面就是纹理采样用到的数据类型: ·sampler1D – for 1D textures ·sampler2D – for 2D textures ·sampler3D – for 3D textures ·samplerCube – for cube map textures ·sampler1DShadow – for shadow maps ·sampler2DShadow – for shadow maps 在GLSL中,可以像C一样声明和访问数组,但是不能在声明时初始化数组。GLSL还可以定义结构体: struct dirlight{ vec3 direction; vec3 color; }; 变量声明一个基本类型变量的方法与C类似,你还可以在声明它的同时进行初始化。 float a,b; // two vector (yes, the comments are like in C) 声明其它类型变量也是按照这种方法,但是初始化与C语言有区别。GLSL非常依赖构造函数实现初始化和类型转换。、 float b = 2; // incorrect, there is no automatic type casting 在GLSL中使用一些变量初始化其它变量是非常灵活的。你只需要给出需要的数据成员即可。请看下面的例子: vec2 a = vec2(1.0,2.0); 矩阵的初始化也是类似方法,矩阵包含很多种构造函数,下面的例子给出了一些初始化矩阵的构造函数: mat4 m = mat4(1.0) // initializing the diagonal of the matrix with 1.0 下面的例子给出了初始化结构体的方法: struct dirlight // type definition 在GLSL中还有一些实用的选择子(selector),可以简化我们的操作并让代码更简洁。访问一个向量可以使用如下的方法: vec4 a = vec4(1.0,2.0,3.0,4.0); 在上面的代码片段中,可以使用x、y、z、w来访问向量成员。如果是颜色的话可以使用r、g、b、a,如果是纹理坐标的话可以使用s、t、p、q。注意表示纹理坐标通常是使用s、t、r、q,但r已经表示颜色中的红色(red)了,所以纹理坐标中需要使用p来代替。矩阵的选择子可以使用一个或两个参数,比如m[0]或者m[2][3]。第一种情况选择了第一列,第二种情况选择了一个数据成员。 对于结构体来说,可以像在C语言中一样访问其成员。所以访问前面定义的结构体,可以使用如下的代码: d1.direction = vec3(1.0,1.0,1.0);变量修饰符 修饰符给出了变量的特殊含义,GLSL中有如下修饰符: ·const – 声明一个编译期常量。 ·attribute– 随不同顶点变化的全局变量,由OpenGL应用程序传给顶点shader。这个修饰符只能用在顶点shader中,在shader中它是一个只读变量。 ·uniform– 随不同图元变化的全局变量(即不能在glBegin/glEnd中设置),由OpenGL应用程序传给shader。这个修饰符能用在顶点和片断shader中,在shader中它是一个只读变量。 ·varying –用于顶点shader和片断shader间传递的插值数据,在顶点shader中可写,在片断shader中只读。
一致变量(Uniform Variables) 不同于顶点属性在每个顶点有其自己的值,一个一致变量在一个图元的绘制过程中是不会改变的,所以其值不能在glBegin/glEnd中设置。一致变量适合描述在一个图元中、一帧中甚至一个场景中都不变的值。一致变量在顶点shader和片断shader中都是只读的。 首先你需要获得变量在内存中的位置,这个信息只有在连接程序之后才可获得。注意,对某些驱动程序,在获得存储位置前还必须使用程序(调用glUseProgram)。 获取一个一致变量的存储位置只需要给出其在shader中定义的变量名即可: GLint glGetUniformLocation(GLuint program, const char *name);参数: ·program – the hanuler to the program ·name – the name of the variable 返回值就是变量位置,可以用此信息设置变量的值。根据变量的数据类型不同,有一系列函数可以用来设置一致变量。用来设置浮点值的一组函数如下: void glUniform1f(GLint location, GLfloat v0); 对integer类型也有一组类似的函数,不过要用i替换函数中的f。对bool类型没有专门的函数,但可以使用整数的0和1来表示真假。一旦你使用了一致变量数组,那么就必须使用向量版本的函数。 对sampler变量,使用函数glUniform1i和glUniform1iv。 矩阵也是一种GLSL的数据类型,所以也有一组针对矩阵的函数: GLint glUniformMatrix{2,3,4}fv(GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose, GLfloat *v);参数: location – the previously queried location. count – the number of matrices. 1 if a single matrix is being set, or n for an array of n matrices. transpose – wheter to transpose the matrix values. A value of 1 indicates that the matrix values are specified in row major order, zero is column major order v – an array of floats. 还有一点要注意的是:使用这些函数之后,变量的值将保持到程序再次连接之时。一旦进行重新连接,所有变量的值将被重置为0。 最后是一些示例代码。假设一个shader中使用了如下变量: uniform float specIntensity;uniform vec4 specColor; uniform float t[2]; uniform vec4 colors[3]; 在OpenGL程序中可以使用下面的代码设置这些变量: GLint loc1,loc2,loc3,loc4; 例子代码的下载地址: loc2 = glGetUniformLocation(p,"specColor"); GLSL中还可以获取数组中某个变量的地址。比如,可以获得t[1]的地址。下面的代码片段展示了设置t数组元素的另一种方法: loct0 = glGetUniformLocation(p,"t[0]"); 注意在glGetUniformLocation中使用方括号指示的变量。
属性变量(Attribute Variables) 在前一节提到,一致变量只能针对一个图元全体,就是说不能在glBegin和glEnd之间改变。 如果要针对每个顶点设置变量,那就需要属性变量了。事实上属性变量可以在任何时刻更新。在顶点shader中属性变量是只读的。因为它包含的是顶点数据,所以在片断shader中不能直接应用。 与一致变量相似,首先你需要获得变量在内存中的位置,这个信息只有在连接程序之后才可获得。注意,对某些驱动程序,在获得存储位置前还必须使用程序。 GLint glGetAttribLocation(GLuint program,char *name);参数: program – the handle to the program. name – the name of the variable 上述函数调用的返回变量在存储器中的地址。下面就可以为它指定一个值,类似一致变量,每种数据类型都有对应的函数。 void glVertexAttrib1f(GLint location, GLfloat v0); 对于integer类型,也有一组类似的函数。与一致变量不同,这里向量版的函数并不支持对向量数组的赋值,所以函数参数用向量或是分别指定的效果没有太大区别,就好像OpenGL中glColor3f和glColor3fv的关系。下面是一个简单的例子,假定顶点shader中声明了一个名为height的浮点属性变量,在程序连接之后可以进行如下操作: loc = glGetAttribLocation(p,"height"); 在执行渲染的代码中间可以为shader中的变量赋值: glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP); 例子代码的下载地址: void glEnableVertexAttribArray(GLint loc); 接下来使用函数提交包含数据的数组指针: void glVertexAttribPointer(GLint loc, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride, const void *pointer); 下面是示例代码,首先执行初始化,定义了顶点数组和属性数组。 float vertices[8] = {-1,1, 1,1, -1,-1, 1,-1}; 接下来的渲染步骤与OpenGL中的通常做法一致,比如调用glDrawArrays。示例源代码下载地址: 易变变量(Varying Variables) 前面说过,shader包括两种类型:顶点shader和片断shader。为了计算片断的值,往往需要访问顶点的插值数据。例如,当使用逐片断光照时,我们需要知道当前片断的法线,但是在OpenGL中只为每个顶点指定了法线。顶点shader可以访问这些法线,而片断shader不能,因为法线是OpenGL程序作为属性变量指定的。 顶点变换后的数据移动到流水线的下一个阶段,在这个阶段通过使用连接信息,生成了所有图元并完成片断化。对每个片断,有一组变量会被自动进行插值并提供给片断shader,这些都是固定功能。片断的颜色就是这么处理的,到达片断shader的颜色就是组成图元的顶点颜色插值的结果。 像片断shader接收到的这种插值产生的变量,就是“易变变量”类型。GLSL包含一些预先定义的易变变量,例如前面提到的颜色。用户也可以自己定义易变变量,它们必须同时在顶点shader和片断shader中声明: varying float intensity; 一个易变变量必须先在顶点shader中声明,然后计算每个顶点的变量值。在片断shader中,接收这个变量通过插值得到的结果,注意此时这个变量是只读的。
语句和函数 控制流语句 与C语言类似,GLSL中有类似if-else的条件语句,for,while,do-while等循环语句。 if (bool expression)... else ... for (initialization; bool expression; loop expression) ... while (bool expression) ... do ... while (bool expression) GLSL也有跳转语句: ·continue – available in loops, causes a jump to thenext iteration of the loop ·break – available in loops, causes an exit of theloop ·discard 最后的discard关键字只能在片断shader中使用,它将在不写入帧缓存或者深度缓存的情况下,终止当前片断的shader程序。 函数 与C语言类似,shader也是由函数组成的结构化程序。至少每类shader都必须包含一个如下方式声明的主函数: void main() 此外用户还可以自定义函数。这些函数像C函数一样,一般都会有返回值,返回值的类型没有限制,但不能是数组。 函数参数可以有如下修饰符: ·in – for input parameters ·out – for outputs of the function. The returnstatement is also an option for sending the result of a function. ·inout – for parameters that are both input andoutput of a function 如果没有指定修饰符,默认情况下为in类型。 最后还有两点要注意: ·允许函数重载,只要参数不同。 ·在标准中没有定义递归行为。 结束本节之前来看一个函数的例子: vec4 toonify(in float intensity){ vec4 color; if (intensity > 0.98) color = vec4(0.8,0.8,0.8,1.0); else if (intensity > 0.5) color = vec4(0.4,0.4,0.8,1.0); else if (intensity > 0.25) color = vec4(0.2,0.2,0.4,1.0); else color = vec4(0.1,0.1,0.1,1.0); return(color); }
|
|