着色器 （三）

今天，是我们介绍opengl着色器最后一章，着色器(Shader)是运行在GPU上的小程序。这些小程序为图形渲染管线的某个特定部分而运行。从基本意义上来说，着色器只是一种把输入转化为输出的程序。着色器也是一种非常独立的程序，因为它们之间不能相互通信；它们之间唯一的沟通只有通过输入和输出。

前面的教程里我们简要地触及了一点着色器的皮毛，并了解了如何恰当地使用它们。现在我们会用一种更加广泛的形式详细解释着色器，特别是OpenGL着色器语言(GLSL)。

一、GLSL

全称是OpenGL Shading Language（OpenGL着色器语言）。它是专门为图形计算设计的，就像我们画画时需要用到各种颜色的画笔一样，GLSL就是帮助我们在计算机上画出美丽图形的"魔法画笔"。

一、GLSL是什么？

GLSL是一种类C语言，也就是说，它和我们平时学习的C语言有点像。但是，它有一些特别的功能，专门用来处理图形计算。我们可以用GLSL编写着色器，这些着色器就像运行在计算机图形卡（GPU）上的小程序，帮助我们控制图形的颜色、形状和效果。

二、GLSL能做什么？

1. 控制颜色：我们可以使用GLSL来决定图形上每个点的颜色。比如，我们可以让一个三角形从红色渐变到蓝色。
2. 处理形状：通过GLSL，我们可以改变图形的形状，让它看起来更加有趣或者符合我们的需求。
3. 添加效果：GLSL还可以帮助我们添加各种视觉效果，比如阴影、反射和折射等。

三、GLSL的基本结构

每个GLSL着色器都有一个特定的结构，就像我们写作文需要有一个开头、中间和结尾一样。GLSL着色器的结构包括：

1. 版本声明：告诉计算机我们使用的是哪个版本的GLSL。
2. 输入变量：从外部接收数据，比如图形的顶点位置和颜色。
3. 输出变量：把处理后的数据输出给下一个阶段或者最终的屏幕显示。
4. uniform变量：一种特殊的输入变量，可以从我们的应用程序（比如游戏或者图形软件）中传递数据给着色器。
5. main函数：着色器的入口点，就像我们写作文时的"开始"部分，所有的计算都在这里进行。

四、举个例子

想象一下，我们要画一个彩色的三角形。我们可以使用GLSL编写一个简单的顶点着色器和片段着色器：

• 顶点着色器：负责告诉计算机三角形的顶点应该在哪里。
• 片段着色器：负责决定三角形的每个像素应该是什么颜色。

通过这两个着色器，我们就可以在屏幕上看到一个美丽的彩色三角形了！

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;

void 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;
}

当我们谈论到顶点着色器的时候，每个输入变量也叫顶点属性(Vertex Attribute)。我们能声明的顶点属性是有上限的，它一般由硬件来决定。OpenGL确保至少有16个包含4分量的顶点属性可用，但是有些硬件或许允许更多的顶点属性，你可以查询GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS来获取具体的上限：

int nrAttributes;
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &nrAttributes);
std::cout << "Maximum nr of vertex attributes supported: " << nrAttributes << std::endl;

通常情况下它至少会返回16个，大部分情况下是够用了。

二、数据类型

和其他编程语言一样，GLSL有数据类型可以来指定变量的种类。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，它们会在这个教程中使用很多，分别是向量(Vector)和矩阵(Matrix)，其中矩阵我们会在之后的教程里再讨论。

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。

一个向量的分量可以通过vec.x这种方式获取，这里x是指这个向量的第一个分量。你可以分别使用.x、.y、.z和.w来获取它们的第1、2、3、4个分量。GLSL也允许你对颜色使用rgba，或是对纹理坐标使用stpq访问相同的分量。

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);

向量是一种灵活的数据类型，我们可以把它用在各种输入和输出上。学完教程你会看到很多新颖的管理向量的例子。

输入与输出

在GLSL（OpenGL Shading Language）中，输入与输出是着色器程序的重要组成部分，它们允许着色器之间以及着色器与应用程序之间传递数据。下面是对GLSL输入与输出的详细介绍：

一、输入（Input）

1. 作用：

   • 输入变量用于接收来自上一个着色器阶段或应用程序的数据。
   • 在顶点着色器中，输入变量通常用于接收顶点数据，如顶点位置、颜色、纹理坐标等。

2. 关键字：

   • 使用in关键字来声明输入变量。

3. 顶点着色器的输入特殊性：

   • 顶点着色器的输入通常直接从顶点数据中接收，因此需要为输入变量提供一个额外的layout标识，以便将其链接到顶点数据。
   • layout(location = X)用于指定输入变量的属性位置值，其中X是一个整数，表示该变量在顶点数据中的位置。

二、输出（Output）

1. 作用：

   • 输出变量用于将着色器处理后的数据传递给下一个着色器阶段或最终的渲染结果。
   • 在顶点着色器中，输出变量通常用于传递处理后的顶点位置、颜色、纹理坐标等给片段着色器。
   • 在片段着色器中，输出变量通常用于定义最终渲染到屏幕上的颜色。

2. 关键字：

   • 使用out关键字来声明输出变量。

3. 数据传递机制：

   • 当一个输出变量与下一个着色器阶段的输入变量类型和名称都匹配时，OpenGL会在链接程序对象时将这两个变量链接到一起，从而实现数据传递。

4. 片段着色器的输出特殊性：

   • 片段着色器需要有一个vec4类型的输出变量，用于生成最终输出的颜色。
   • 如果片段着色器没有定义输出颜色变量，OpenGL会将物体渲染为默认颜色（通常是黑色或白色）。

你也可以忽略layout (location = 0)标识符，通过在OpenGL代码中使用glGetAttribLocation查询属性位置值(Location)，但是我更喜欢在着色器中设置它们，这样会更容易理解而且节省你（和OpenGL）的工作量。

另一个例外是片段着色器，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）。

所以，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）。为了展示这是如何工作的，我们会稍微改动一下之前教程里的那个着色器，让顶点着色器为片段着色器决定颜色。

顶点着色器

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos; // 位置变量的属性位置值为0

out vec4 vertexColor; // 为片段着色器指定一个颜色输出

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0); // 注意我们如何把一个vec3作为vec4的构造器的参数
    vertexColor = vec4(0.5, 0.0, 0.0, 1.0); // 把输出变量设置为暗红色
}

片段着色器

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec4 vertexColor; // 从顶点着色器传来的输入变量（名称相同、类型相同）

void main()
{
    FragColor = vertexColor;
}

你可以看到我们在顶点着色器中声明了一个vertexColor变量作为vec4输出，并在片段着色器中声明了一个类似的vertexColor。由于它们名字相同且类型相同，片段着色器中的vertexColor就和顶点着色器中的vertexColor链接了。由于我们在顶点着色器中将颜色设置为深红色，最终的片段也是深红色的。下面的图片展示了输出结果：

完成了！我们成功地从顶点着色器向片段着色器发送数据。让我们更上一层楼，看看能否从应用程序中直接给片段着色器发送一个颜色！

Uniform

Uniform是另一种从我们的应用程序在 CPU 上传递数据到 GPU 上的着色器的方式，但uniform和顶点属性有些不同。首先，uniform是全局的。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。

要在 GLSL 中声明 uniform，我们只需在着色器中使用 uniform 关键字，并带上类型和名称。从那时起，我们就可以在着色器中使用新声明的 uniform。我们来看看这次是否能通过uniform设置三角形的颜色：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

uniform vec4 ourColor; // 在OpenGL程序代码中设定这个变量

void main()
{
    FragColor = ourColor;
}

我们在片段着色器中声明了一个uniform vec4的ourColor，并把片段着色器的输出颜色设置为uniform值的内容。因为uniform是全局变量，我们可以在任何着色器中定义它们，而无需通过顶点着色器作为中介。顶点着色器中不需要这个uniform，所以我们不用在那里定义它。

如果你声明了一个uniform却在GLSL代码中没用过，编译器会静默移除这个变量，导致最后编译出的版本中并不会包含它，这可能导致几个非常麻烦的错误，记住这点！

这个uniform现在还是空的；我们还没有给它添加任何数据，所以下面我们就做这件事。我们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：

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);

首先我们通过glfwGetTime()获取运行的秒数。然后我们使用sin函数让颜色在0.0到1.0之间改变，最后将结果储存到greenValue里。

接着，我们用glGetUniformLocation查询uniform ourColor的位置值。我们为查询函数提供着色器程序和uniform的名字（这是我们希望获得的位置值的来源）。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。

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。这个函数有一个特定的后缀，标识设定的uniform的类型。可能的后缀有：

后缀	含义
f	函数需要一个float作为它的值
i	函数需要一个int作为它的值
ui	函数需要一个unsigned int作为它的值
3f	函数需要3个float作为它的值
fv	函数需要一个float向量/数组作为它的值

每当你打算配置一个OpenGL的选项时就可以简单地根据这些规则选择适合你的数据类型的重载函数。在我们的例子里，我们希望分别设定uniform的4个float值，所以我们通过glUniform4f传递我们的数据(注意，我们也可以使用fv版本)。

现在你知道如何设置uniform变量的值了，我们可以使用它们来渲染了。如果我们打算让颜色慢慢变化，我们就要在游戏循环的每一次迭代中（所以他会逐帧改变）更新这个uniform，否则三角形就不会改变颜色。下面我们就计算greenValue然后每个渲染迭代都更新这个uniform：

while(!glfwWindowShouldClose(window))
{
    // 输入
    processInput(window);

    // 渲染
    // 清除颜色缓冲
    glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    // 记得激活着色器
    glUseProgram(shaderProgram);

    // 更新uniform颜色
    float timeValue = glfwGetTime();
    float greenValue = sin(timeValue) / 2.0f + 0.5f;
    int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
    glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

    // 绘制三角形
    glBindVertexArray(VAO);
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

    // 交换缓冲并查询IO事件
    glfwSwapBuffers(window);
    glfwPollEvents();
}

这里的代码对之前代码是一次非常直接的修改。这次，我们在每次迭代绘制三角形前先更新uniform值。如果你正确更新了uniform，你会看到你的三角形逐渐由绿变黑再变回绿色

如果你在哪儿卡住了，可以到以下查看源码。

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

#include <iostream>
#include <cmath>

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height);
void processInput(GLFWwindow *window);

// settings
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;

const char *vertexShaderSource ="#version 330 core\n"
    "layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
    "void main()\n"
    "{\n"
    "   gl_Position = vec4(aPos, 1.0);\n"
    "}\0";

const char *fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
    "out vec4 FragColor;\n"
    "uniform vec4 ourColor;\n"
    "void main()\n"
    "{\n"
    "   FragColor = ourColor;\n"
    "}\n\0";

int main()
{
    // glfw: initialize and configure
    // ------------------------------
    glfwInit();
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

#ifdef __APPLE__
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);
#endif

    // glfw window creation
    // --------------------
    GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
    if (window == NULL)
    {
        std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
        glfwTerminate();
        return -1;
    }
    glfwMakeContextCurrent(window);
    glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);

    // glad: load all OpenGL function pointers
    // ---------------------------------------
    if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
    {
        std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
        return -1;
    }

    // build and compile our shader program
    // ------------------------------------
    // vertex shader
    unsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);
    // check for shader compile errors
    int success;
    char infoLog[512];
    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // fragment shader
    unsigned int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);
    // check for shader compile errors
    glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // link shaders
    unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();
    glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    glLinkProgram(shaderProgram);
    // check for linking errors
    glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);

    // set up vertex data (and buffer(s)) and configure vertex attributes
    // ------------------------------------------------------------------
    float vertices[] = {
         0.5f, -0.5f, 0.0f,  // bottom right
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,  // bottom left
         0.0f,  0.5f, 0.0f   // top 
    };

    unsigned int VBO, VAO;
    glGenVertexArrays(1, &VAO);
    glGenBuffers(1, &VBO);
    // bind the Vertex Array Object first, then bind and set vertex buffer(s), and then configure vertex attributes(s).
    glBindVertexArray(VAO);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);

    // You can unbind the VAO afterwards so other VAO calls won't accidentally modify this VAO, but this rarely happens. Modifying other
    // VAOs requires a call to glBindVertexArray anyways so we generally don't unbind VAOs (nor VBOs) when it's not directly necessary.
    // glBindVertexArray(0);


    // bind the VAO (it was already bound, but just to demonstrate): seeing as we only have a single VAO we can 
    // just bind it beforehand before rendering the respective triangle; this is another approach.
    glBindVertexArray(VAO);


    // render loop
    // -----------
    while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {
        // input
        // -----
        processInput(window);

        // render
        // ------
        glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

        // be sure to activate the shader before any calls to glUniform
        glUseProgram(shaderProgram);

        // update shader uniform
        double  timeValue = glfwGetTime();
        float greenValue = static_cast<float>(sin(timeValue) / 2.0 + 0.5);
        int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
        glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

        // render the triangle
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

        // glfw: swap buffers and poll IO events (keys pressed/released, mouse moved etc.)
        // -------------------------------------------------------------------------------
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }

    // optional: de-allocate all resources once they've outlived their purpose:
    // ------------------------------------------------------------------------
    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glDeleteProgram(shaderProgram);

    // glfw: terminate, clearing all previously allocated GLFW resources.
    // ------------------------------------------------------------------
    glfwTerminate();
    return 0;
}

// process all input: query GLFW whether relevant keys are pressed/released this frame and react accordingly
// ---------------------------------------------------------------------------------------------------------
void processInput(GLFWwindow *window)
{
    if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
        glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}

// glfw: whenever the window size changed (by OS or user resize) this callback function executes
// ---------------------------------------------------------------------------------------------
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{
    // make sure the viewport matches the new window dimensions; note that width and 
    // height will be significantly larger than specified on retina displays.
    glViewport(0, 0, width, height);
}