【OpenGL】着色器 Shader

写在前面

前面的几个例子使用的都是固定管线，又叫立即渲染模式，这个模式下 opengl 把渲染的细节封装隐藏起来，开发人员使用起来非常容易，但效率比较低且不够灵活。现代 opengl 使用的大多是可编程管线，又叫核心模式，从 opengl3.2 开始，固定管线就已经被废弃了，所以学习现代 opengl 就必须学可编程管线。虽然可编程管线上手比较难，但它能让我们操控 opengl 的底层，更有利于学习计算机图形学。

使用可编程管线需要用到“着色器”，也就是大名鼎鼎的 shader。着色器是运行在 GPU 中的，opengl 提供了一门着色器语言 GLSL，即 opengl shader language，还提供了相应的编译器，shader 程序必须编译后才能在 GPU 上运行。

shader

首先看看图形渲染管线的流程

GPU 接受一级顶点数据，经过一系列过程之后生成屏幕上显示的像素。管线包括下面几个过程

• 顶点着色器(Vertex Shader)：它接收单一的顶点作为输入，然后把 3D 坐标转换成另一个 3D 坐标，主要做变换操作；顶点着色器允许我们对顶点属性做一些基本处理。

• 图元装配(Primitive Assembly)：它接收顶点着色器输出的顶点作为输入，然后把顶点装配成指定的图元形状，如果是 GL_POINTS 是装配成点，如果是 GL_TRIANGLES，则装配成三角形。

• 几何着色器(Geometry Shader)：它接收图元装配生成的图元的一系列顶点作为输入，通过产生新顶点构造出新的图元形状。

• 光栅化阶段(Rasterization Stage)：它接收几何着色器生成的图元，将图元映射为屏幕上显示的像素，生成供下个阶段使用的片段(Fragment)；在这个阶段会对片段进行裁切，把屏幕之外的片段丢弃掉。

• 片段着色器(Fragment Shader)：它接收光栅化之后的片段数据，一个片段就是一个像素所需的所有数据；片段着色器计算一个片段（像素）的最终颜色，通常片段着色器包含 3D 场景的数据（如光照、阴影、光的颜色等），这些因素会影响像素最终的颜色。

• Alpha 测试和混合(Blending)阶段：它检测片段的深度值，以确定该像素是在其它物体前面还是后面；还会检查 alpha 值并进行混合(blend)，所以片段着色器处理过的颜色还不是最终的颜色，alpha 测试和混合也会影响颜色。

可以看到一个管线要经过上面六个过程，其最终目的是确定屏幕上绘制的像素点及其颜色，其中从顶点着色器到光栅化是根据顶点数据生成屏幕上的像素；片段着色器和混合是确定像素的最终颜色。这六个阶段使用到了三个着色器，这三个着色器是我们可以自定义的，其中顶点着色器和片段着色器是最重要的，也是我们必须自定义的，因为 GPU 中并没有默认的顶点着色器和片段着色器（这是针对可编程管线的，固定管线则不用我们自己定义任何着色器）。

前面介绍了固定管线是如何在屏幕上绘制图元的，现在知道了可编程管线的过程和 shader，我们再看看可编程管线如何一步步绘制图元。

输入顶点数据

无论是绘制一个点还是一个三角形，或是更复杂的模型，都需要先传入顶点数据（再复杂的模型也是由一个个顶点组成的）。顶点的一个最重要属性就是位置，位置在 opengl 中以 3D 坐标表示，所以一个顶点需要三个浮点数，表示它的位置。如果有多个顶点，可以以多维数组的方式来组织数据

GLfloat vertices[][3] = {
    { -0.5f, -0.5f, 0.0f },
    { 0.5f, -0.5f, 0.0f },
    { 0.0f,  0.5f, 0.0f }
};

也可以以一维数组的方式来组织数据

GLfloat vertices[] = {
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,
     0.5f, -0.5f, 0.0f,
     0.0f,  0.5f, 0.0f
};

标准化坐标

顶点位置经过顶点着色器处理之后，其坐标应该是标准化设备坐标，否则该顶点不会进行绘制；标准化坐标指 x,y,z 值都在范围 -1.0~1.0 之间，超出这个范围的顶点将被丢弃（这一步在光栅化的时候处理）。

这些顶点数据将会传给顶点着色器，它将在 GPU 中创建内存（显存）来存储这些顶点数据，通常是经过顶点缓冲对象(VBO)来管理顶点。使用顶点缓冲对象的好处是可以一次性发送大批顶点数据到显卡，数据从 CPU 发送 GPU 速度是很慢的。

回顾 VBO

前面已经介绍过 VBO 的使用了，这里再复习一下。首先要创建顶点缓冲对象，创建的方法是给对象一个名字

GLuint VBO;
glGenBuffers(1, &VBO);

然后将对象绑定到 context，绑定的目标是 GL_ARRAY_BUFFER，绑定之后针对 GL_ARRARY_BUFFER 的操作都将作用于这个 VBO 上，直到我们绑定新的对象或者将这个 VBO 解绑。然后我们要把顶点数据复制到缓冲内存中，此时在 GL_ARRAY_BUFFER 上的缓冲调用都是配置当前绑定的 VBO