Tutorial 4: Shaders

最新推荐文章于 2022-09-04 21:59:41 发布

hhdong123

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分类专栏： Modern OpenGL Tutorials 文章标签： opengl

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本文介绍了OpenGL中的着色器管理及使用方法，包括顶点着色器和片段着色器的编写、编译、链接过程，并详细解释了着色器如何处理顶点位置和颜色。

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本文源自：http://ogldev.atspace.co.uk/www/tutorial04/tutorial04.html

Tutorial 4 Shaders
- Background
- Source walkthru

Tutorial 4: Shaders

Background

我们用着色器实现了从这个教程往后的所有效果和技术。在某种程度上，你可以认为这是一种倒退，因为大多数3D功能，原来是由固定管线或者开发者自己指定的参数（如光线属性，旋转等等）所提供，而现在必须由开发者自己来实现（通过调用着色器）。但是，这种可编程性极大的提高了灵活性和可创新性。

OpenGL的可编程管线可以从下面的示意图描绘出来：
坐标系

顶点处理器（vertex processor）主要负责处理在管线中传输的所有顶点(vertex)（顶点的数目取决于绘制调用中的参数）。然而顶点着色器(Vertex shaders)并不知道渲染图元的拓扑顺序。此外，你可以在顶点处理器中抛弃一些顶点。所有顶点只会进入顶点处理器一次，在经历过基本变换后，他们会继续向后面的管线传输。

渲染管线的下一个阶段是图元处理器(geometry processor)。这个阶段是用来完成图元primitives（比如它的所有的顶点）以及着色器提供的相邻顶点。那么我们必须传入与顶点自身属性相关的额外用户定义属性。同时，图元处理器的输出的顺序可能会与绘制调用中的顺序不一致。比如，你可能向着色器里面传入了一系列的点，着色器从这些点中所有生成了两个三角形，这种技术被称之为billboarding。此外，你还可以选择为每一个调用的着色器传入多种顶点，此时处理器便会按照你的输入顺序产生多种图元。

再下一个渲染管线的阶段便是裁剪器(clipper)。我们前面的教程已经了解了标准化盒子(normalized box)，它的功能也相当的明确，就是把图元裁剪到这个盒子里面。当然这些图元也会被裁剪到近Z平面和远Z平面。此外，用户可以提供自定义的裁剪平面，让裁剪器根据定义的平面进行裁剪。在裁剪器中裁剪过后的顶点，他们的位置现在可以直接映射到屏幕空间坐标系中，光栅器可以根据他们的顺序逐个渲染到屏幕上。比如，在我们这个三角形的例子中，裁剪器会找到三角形中每一个点。然后光栅器会为所有的点调用片段处理器（fragment processer）。最后你可以通过采样纹理也可以通过其他技术手段决定像素的颜色，。

这三个可编程的阶段（vertex,geometry和fragment 处理器）都是可选择的。如果你没有为他们绑定着色器，默认的功能会被执行。

着色器的管理非常类似与C/C++程序的创建。首先，可以采用把文本包含在源代码里字符数组中或者直接从外部文本文件载入（然后再次读取到字符数组里面）的方式, 为程序写一段可用的着色器文本(shader text)。然后，把着色器(shader)一个个导入着色器对象(shader object)里面。然后把着色器链接到单个程序并载入到GPU之后。在链接这阶段，驱动可以裁剪这些着色器并根据他们的关系进行优化。比如，你可能用了一个输出法线（normal）的顶点着色器和另一个没有使用这个法线变量的片段着色器。在这种情况下，驱动中的编译器会移除着色器与法线相关的功能，这样就会加速顶点着色器的运行效率。如着色器后来与一个接收法线的片段着色器配对，那么当连接到程序后驱动会产生完全不同的顶点着色器。

Source walkthru

GLuint ShaderProgram = glCreateProgram();

在一步步搭建着色器中，首先需要生成一个程序对象(program object)，随后我们会把所有的着色器链接到这个对象中。

GLuint ShaderObj = glCreateShader(ShaderType);

通过上述的调用，我们可以创建两个着色器对象（shader object）。一个着色器的类型是GL_VERTEX_SHADER另一个则是GL_FRAGMENT_SHADER。同时，两种着色器的源码的载入方式和编译的方式都是一样的。

const GLchar* p[1];
p[0] = pShaderText;
GLint Lengths[1];
Lengths[0]= strlen(pShaderText);
glShaderSource(ShaderObj, 1, p, Lengths);

在编译着色器对象之前，我们必须先指定它的源代码。函数glShaderSource会把着色器对象作为参数，并提供更灵活的载入源代码方式。源码可以分布在几个字符数组中，你需要提供一个包含这些数组指针的数组以及一个包含这些数组长度的数组。我们只用了一个数组来包含所有的着色器源码，然后仅仅用了一个槽存储了两个源码的指针和长度。调用的第二个参数是存储两个数组指针槽的数目（我们这个程序只有一个）

glCompileShader(ShaderObj);

编译着色器相当的简单…

GLint success;
glGetShaderiv(ShaderObj, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if (!success) {
    GLchar InfoLog[1024];
    glGetShaderInfoLog(ShaderObj, sizeof(InfoLog), NULL, InfoLog);
    fprintf(stderr, "Error compiling shader type %d: '%s'\n", ShaderType, InfoLog);
}

…但是，通常情况下你会遇到一些编译错误。上面这一部分代码会得到编译的状态，并在编译出现错误的时候显示所有消息

glAttachShader(ShaderProgram, ShaderObj);

终于我们能够把着色器对象附着到程序对象上了。就像makefile中的链接一样，需要事先列出一系列指定的链接对象。由于我们没有makefile，所以只能用程序的方式模拟。只有附着对象才会进入链接这一部分对象。

glLinkProgram(ShaderProgram);

在编译好所有的着色器对象并他们附着在程序对象中后，我们终于能够连接了。在链接过程序对象后,你对每一个着色器调用glDeatchShader和glDeleteShader，可以剥离程序对象中的着色器对象。OPenGL对象使用引用计数的方法管理它产生的对象。如果一个着色器对象被创建后被立即删除，那么程序会直接就移除了这个着色器对象。但是如果这个着色器对象被附着于一个程序对象，调用glDeleteShader函数仅仅只会为这个着色器标记上待删除的标签，这个时候你需要调用glDetachShader让这个对象的引用计数降至0，然后才能最终被移除。

glGetProgramiv(ShaderProgram, GL_LINK_STATUS, &Success);
if (Success == 0) {
    glGetProgramInfoLog(ShaderProgram, sizeof(ErrorLog), NULL, ErrorLog);
    fprintf(stderr, "Error linking shader program: '%s'\n", ErrorLog);
}

检查程序对象相关的错误（比如链接错误）与着色器相关的错误并不相同。我们相应的用glGetProgramiv来代替glGetShaderiv，glGetProgramInfoLog来代替glGetShaderInfoLog。

glValidateProgram(ShaderProgram);

也许你会质疑为什么在程序对象连接成功后需要再次验证一番。他们的区别在于，链接错误检查是根据着色器相组合产生的，而上面的检查则是用于检查程序对象是否能够再当前给定的渲染管线中，是否能够正确的运行。当然，在我们这个程序中我们只检测了一次。你可能希望只在开发的过程中进行检查，以避免最终产品在上面的做无谓开销。

glUseProgram(ShaderProgram);

最后，上面的调用可以把链接过的着色器程序对象设置到渲染管线中。在你用另一个着色器程序对象代替这个对象，或者禁用这个对象之前（会造成固定管线自动启用），这个程序对象会一直对绘制调用产生影响。如果你产生的着色器程序对象仅仅包含了一种一个类型的着色器，那么另一个状态的执行会有固定管线所接替。

现在我们已经与着色器管理相关的OpenGL调用都走通了。教程的剩余部分就是顶点着色器与片段着色器的内容了（包含在”pVs”和”pFs”变量中）

#version 330

告诉编译器我们把GLSL的目标版本设置为3.3。如果编译器不支持这个版本，就会抛出错误。

layout (location = 0) in vec3 Position;

这段代码是出现在顶点着色器中的。他声明了一个由3个浮点数构成的向量类型的顶点指定属性vertex specific attribute，在着色器中这个属性被理解为“位置”。”Vertex Specific”意味着每次GPU中调用的着色器，都会由缓冲区提供一个新的顶点。代码的第一部分，layout(location=1)，让缓冲区的属性(attribute)与着色器中的属性变量(attribute name)建立关联。这需要我们的顶点包含一系列的属性（位置、法线、纹理坐标等等）。我们需要让编译器知道缓冲区中的顶点中的属性，并映射到声明在着色器的属性变量中。可以采用两种方式去完成这种映射。一种做法是这样的，就像我们在这个程序中的做法一样（直接设置为0），进行显示地设置。因而我们只能在程序中写固定的代码（调用glVertexAttributePointer时传入的第一个参数）。我们选择了这种简单的方式，但是在更复杂的程序中，最好让编译器决定属性的索引再运行的时候查询这些索引。即使没有调整缓冲区的布局，那些不同的着色器对象的相结合也会变得更简单。

void main()

你可以通过链接不同的着色器对象以生成你自己的着色器。但是，所有的着色器（VS,GS,FS）一个主函数作为着色器的主入口点。举个例子，你可以创建一个有部分函数的轻量级库，链接的时候里面不能有“main”名字的函数。

gl_Position = vec4(0.5 * Position.x, 0.5 * Position.y, Position.z, 1.0);

在这里我们直接对进入的顶点位置直接用代码做基本变换。我们把X和Y变为原来的一半而Z值则保持不变。‘gl_Position’是特殊的内置变量用作包含齐次（包含想X、Y、Z、W四个分量）顶点位置。光栅器会查找这个变量，并以之作为屏幕空间中的位置（伴随这一些基本变换）。把X和Y变为原来的一半意味着我们所看到的的三角形的大小是原来的四分之一。请注意，我们把W设置成了1.0。这对于正确地显示三角形尤为重要。。通过透视变换把3D转化成2D是两个分开的阶段。首先你需要把你的顶点乘以一个透视矩阵（会在后面的教程中探讨），在到达光栅器之前，GPU会自动的对每一个位置属性执行“透视分割perspective divide”。它用gl_Position W分量除以所有分量。我们的教程中并没有在着色器中做任何透视变换，但是透视分割是阶段是不可关闭的。无论我们从顶点着色器中的gl_Position是什么值，都会被用它的W分量作为HW除以它的所有分量。我们必须牢牢记住透视分割，否则可能会造成结果跟我们预想的不一致。为了规避透视分割的影响，我们直接把W设置为了1.0。1.0作为除数不会影响到其他分量，位置属性向量会一直在我们的标准盒子里面。

如果一切顺利工作，三个顶点（-0.5，-0.5），（0.5，-0.5），（0，0.5）会传送到光栅器中。由于所有的顶点都在标准盒子里面，所以裁剪器不需要做任何事情。这些值会直接映射到屏幕空间坐标系里面，随后光栅器在三角形内部的点上运行。片段着色器会执行每一个点。线面的着色器代码就是从片段着色器截取的