OpenGL着色器语言(GLSL)

数据类型

基本数据类型

GLSL 基本数据类型有 int、float、double、uint 和 bool，GLSL 是强类型语言，没有隐式类型转换，支持数组。

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int a = int(2.0);  // 正确：使用构造函数显式转换
// int c = 2.0;     // 错误：类型不匹配 [1](@ref)

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。

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vec3 position;
vec4 color;
bvec2 boolvec;	// 包含 2 个分量的 bool 型向量
ivec3 intvec;	// 包含 3 个int分量的向量
uvec4 usignvec;	// 包含 4 个unsigned int分量的向量
dvec4 doublevec;//	包含 4 个double分量的向量

矩阵

在 GLSL 中，矩阵的最大维度是 4×4 矩阵的形式如下：

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mat2 m22;		// 2 * 2 的矩阵
// mat2x2 m22; 和上面一行等价
mat2x4; m24; 	// 2 * 4 的矩阵

layout

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#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
void main()
{
   gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
}

在前面的文章中，我们定义了这样一个顶点着色器，layout (location = 0) 用于定义属性位置值。

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layout (location = 0) in vec3 aPosition;     // 位置属性
layout (location = 1) in vec3 aNormal;       // 法线属性
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;      // 纹理坐标
layout (location = 3) in vec3 aTangent;       // 切线
layout (location = 4) in vec3 aBitangent;     // 副切线
layout (location = 5) in vec4 aColor;         // 顶点颜色

layout 也可用于定义纹理等的绑定点，指定输入输出图元类型等，这里就不一一解释了。

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// 定义绑定点
layout(binding = 0) uniform sampler2D diffuseMap;
layout(binding = 1) uniform sampler2D normalMap;
layout(binding = 2) uniform sampler2D specularMap;
// 指定输入图元类型
layout(points) in;                    // 点
layout(lines) in;                     // 线
layout(triangles) in;                 // 三角形
layout(line_strip) in;               // 线带
layout(triangle_strip) in;           // 三角形带
layout(triangles_adjacency) in;      // 邻接三角形
layout(lines_adjacency) in;          // 邻接线
// 指定输出图元类型和最大点数
layout(points, max_vertices = 64) out;        // 最多输出64个点
layout(line_strip, max_vertices = 2) out;     // 最多输出2个顶点形成线段
layout(triangle_strip, max_vertices = 3) out; // 最多输出3个顶点形成三角形

它并不是必须的，比如 location 我们也可以在代码中通过 glGetAttribLocation 获取。

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GLint posAttrib = glGetAttribLocation(shaderProgram, "aPos");
GLint colorAttrib = glGetAttribLocation(shaderProgram, "aColor");
// 启用和配置顶点属性
glEnableVertexAttribArray(posAttrib);
glVertexAttribPointer(posAttrib, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)0);

通过 layout 定义 location = 0 则可以省去 glGetAttribLocation 的步骤，直接使用 location 的值。

输入输出

in 和 out

in 和 out 关键字来设定输入和输出，再来看看我们的顶点着色器代码，这里顶点着色器接收一个 aPos 输入，然后原封不动的赋值给 gl_position（gl_position 是 OpenGL 内置变量，用于在着色器之间传递数据以及与固定功能管线交互，表示顶点在裁剪空间中的位置）

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#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
void main()
{
   gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
}

现在我们为其增加一个输出变量 color，把它传递给片段着色器

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#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
out vec3 ourColor;
void main()
{
   gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);
   ourColor = vec3(1.0, 0.0, 0.0);
}

然后把这个输出传递给片段着色器

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#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 ourColor;
void main()
{
   FragColor = vec4(ourColor.x, ourColor.y, ourColor.z, 1.0f);
}

运行程序，我们就得到了一个红色的三角形

uniform

uniform是全局的，所有着色器都可以访问它，在着色器中是只读的，不能修改。它用于从CPU 上传递数据到 GPU 上的着色器

我们定义一个 uniform 的 ourColor 变量，然后把片段着色器的输出设为 ourColor。注意： OpenGL 3.3/GLSL 330 不支持uniform的layout location

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#version 330 core
out vec4 FragColor;
uniform vec4 ourColor;
void main()
{
    FragColor = ourColor;
}

设置uniform值

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 while (!glfwWindowShouldClose(window))
 {
     if(glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS) {
         glfwSetWindowShouldClose(window, true);
     }
     
     glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); 
     
     glUseProgram(shaderProgram);
     // 设置uniform值
     float redValue = 1.0;
     float greenValue = 0.0;
     float blueValue = 1.0;
     int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
     glUniform4f(vertexColorLocation, redValue, greenValue, blueValue, 1.0f);

     glBindVertexArray(VAO); 
     glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

     glfwSwapBuffers(window);
     glfwPollEvents();
 }

内置变量

OpenGL 内置变量是着色器中预定义的变量，用于在管线不同阶段之间传递数据或访问渲染状态。

顶点着色器内置变量

输入变量

gl_VertexID：当前顶点的索引

gl_InstanceID：实例化渲染的实例索引

gl_DrawID：绘制调用索引

gl_BaseVertex、gl_BaseInstance：基础顶点/实例索引

输出变量

gl_Position：顶点在裁剪空间中的位置（必须设置）

gl_PointSize：点的大小

gl_ClipDistance[]：自定义裁剪距离数组

gl_CullDistance[]：自定义剔除距离数组

几何着色器内置变量

输入变量

gl_PrimitiveIDIn：输入图元ID

gl_InvocationID：几何着色器调用索引

输出变量

gl_PrimitiveID：输出图元ID

gl_Layer：渲染目标数组的图层

gl_ViewportIndex：视口索引

片段着色器内置变量

输入变量

gl_FragCoord：片段在窗口中的坐标（x, y, z, 1/w）

gl_FrontFacing：是否为正面片段

gl_SampleID、gl_SamplePosition：多重采样信息

gl_SampleMaskIn[]：输入样本掩码

gl_ClipDistance[]：裁剪距离

gl_Layer、gl_ViewportIndex：来自几何着色器

gl_PrimitiveID：当前图元ID

输出变量

gl_FragDepth：自定义深度值

gl_SampleMask[]：输出样本掩码

gl_FragColor（兼容性模式）

gl_FragData[]（兼容性模式）

细心的读者可能会发现，顶点着色器通过 gl_position 这个内置变量传递给 OpenGL，而在片段着色器中却自己定义了一个输出变量。这是因为顶点位置是系统定义的、用途固定的，片段着色器输出是用户定义的、用途可变的。

gl_Position 的值会被 OpenGL 固定渲染管线直接接管：执行「透视除法」(除以 w 分量) 得到归一化设备坐标 (NDC) → 执行视口变换 (Viewport Transform) 得到屏幕坐标 → 最终送入「光栅化阶段」生成片元。这个过程是 OpenGL 底层硬件固化的逻辑，如果采取像着色器那样的方式可能增加运行时开销：每次绘制调用都需要查询"哪个输出是位置"，优化困难：编译器难以优化固定功能阶段等问题。

而片段着色器，除了输出颜色之外，还可以输出法线向量（用于延迟渲染的光照计算）

深度值、粗糙度、金属度（PBR 物理渲染）纹理坐标、物体 ID（后期特效 / 拾取）等，使用自定义变量会更加灵活。

由于笔者水平有限，错误不足之处，烦请各位读者斧正。