OpenGL之Shader编程入门

1.shader 编程基础

1.1 Vertex shader与Fragment shader
Vertex shader即顶点着色器，用来改变顶点的属性。Fragment shader即片元着色器，用来改变片元的颜色，在Direct3D中称为Pixel shader，像素着色器。

1.2 编程语言
面向OpenGL的GLSL语言，Cg语言，以及面向Direct3D的HLSL语言。Cg语言与HLSL语言语法基本上相同。

1.3 Vertex shader 功能
vertex shader 可以控制如下方框中的通道对应的属性信息，包括几何变换、投影变换、光照计算等。

1.4 Fragment shader功能
Fragment shader的功能如下。

主颜色与辅助颜色(Primary Color、Secondary Color)：设置辅助颜色的目的是将Specular颜色与Ambient、Diffuse颜色分开；

在典型的光照计算中，分别计算ambient、diffuse、specular和自发光的值，让后进行叠加；而在这之后进行纹理映射的话，specular可能会被覆盖（弱化）。
为了解决这个问题，OpenGL中提供了glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROL，GL_SEPARATE_SPECULAR_COLOR)函数，调用函数可以将每个顶点的光照计算分为主颜色和辅助颜色，主颜色包含所有非镜面反射光照的总贡献，而辅助颜色为镜面反射光照的贡献。
纹理映射的时候只将主颜色和辅助颜色混合起来，执行完纹理映射后，再将主颜色和纹理颜色混合的结果与辅助颜色混合起来。

Fragment shader可以做片元测试，但实际中可以交给固定管线来做。在新版本中alpha测试需要在Frgment shader来做，固定管线已经废弃。可以使用discard来做alpha测试。

//alpha 值小于0.1f。该片元将被丢弃
if(vColorValue.a < 0.1f)
{discard;
}

1.5 vertex shader 与fragment shader案例

vertex shader

void main（void）
{gl_Position = gl_ProjectionMatrix * gl_ModelViewMatrix * gl_vertex;
}

uniform float time;
void main（void）
{vec4 v = gl_Vertex;v.z = sin(5.0 * v.x * time ) * 0.25;gl_Position = gl_ModelViewMatrix * v;
}

fragment shader

//改变颜色
void main(void)
{gl_FragColor = vec4(0.0,1.0,0.0,1.0);
}

2.OpenGL中的shader编程

2.1 OpenGL通过引入扩展库 glew来更方便的进行shader编程。
glew下载地址：http://glew.sourceforge.net/，对下载的源码进行编译生成lib和dll即可引用。

2.2 检测显卡是否支持shader编程

if(GLEW_ARB_vertex_shader && GLEW_ARB_fragment_shader)
{printf("Ready for glsl\n");
{

2.3 shader代码可以在C++源代码文件中存储在字符串变量中，也可将shader代码编写到独立的文件中，然后将文本文件读取到字符串中即可。

2.4 两个概念

着色器对象（shader）：一个着色器对象对应一个shader程序；
着色器程序（program）：可以装载多个着色器对象；

shader编程主要过程：

创建着色器对象；
将着色器源代码装载入着色器对象；
将源代码编译为目标代码；
创建着色器程序；
将着色器对象附加到着色器程序中；
链接着色器程序;
http://www.lighthouse3d.com.tutorials/glsl-tutorial/

2.5 shader编程

glUseProgram(GL_shaderProgram);
//释放
glUseProgram(0);

检测编译是否正确

//获取编译错误，存放到param中
glGetShaderiv(GLuint objec,GLenum type ,int* param);
type : GL_COMPILE_STATUS

检查链接是否正确

glGetProgramiv(GLuint objec,GLenum type ,int* param)
type : GL_LINK_STATUS

获取日志Infolog

glGetSHaderInfoLog(GLuint objec,int maxLen ,int* len，char* log);
glGetProgramInfoLog(GLuint objec,int maxLen ,int* len，char* log);

清除

glDetachShader(GLuint program,GLuint shader);
glDeleteShader(GLuint id);
glDeleteProgram(GLuint id);

3.VS与FS之间的数据流
vertex shader代码只需要编写对单个顶点的操作即可，GPU会自动将其作用到其他顶点上；fragment shader只需要编写对单个片元的操作即可。

VS的输入：针对顶点的属性、一致型变量(uniform)（对所有顶点都一样）；
VS的输出：针对顶点的数据；
FS的输入：针对片元的属性、一致型变量(uniform)（对所有片元都一样）；
FS的输出：gl_FragColor、gl_FragDepth 、…；

编写shader时，内建的变量以gl开头，可以直接使用。而自定义的变量，从程序中传入。

代码程序，如下进行time以及vertCol变量的传递，与VS中的同名变量绑定。

glUseProgram(GL_shaderProgram);
//取得shader代码中的time变量的location
time_location = glGetUniformLocation(G_shaderProgram,"time");
//将time_location与程序中定义的变量shaderTime进行关联，则shaderTime的值就可以传递到time，即可对shaderTime进行操作即可；
glUniform1f(time_location,shaderTime);//取得shader中vertCol变量的localtion
vertCol_location = glGetAttributeLocation(G_shaderProgram,"vertCol");//通过函数将值进行传递
glVertexAttrib4f(vertCol_location ,1.0f,0.0f,0.0f,0.0f);

vertex shader程序

uniform float time;
in vec4 vertCol; // 表述输入数据
out vec4 col;    //输出数据；void main(void)
{vec4 v = gl_Vertex;v.y += time * 0.1;col = vertCol;gl_Position  = gl_ModelViewProjectionMatrix * v;
}

fragment shader程序

in vec4 col; //与vertxe中col对应
void main(void)
{gl_FragColor = col;
}

4.VS/FS的输入与输出变量

4.1 可以传输给VS的数据

内建的uniform变量，如gl_ModelViewMatrix;只读类型；
内建的顶点属性变量（in 类型），如gl_Vertex；只读。
自己定义的uniform 类型变量，需要人为赋值，如下进行赋值操作。
自己定义的in类型变量，并进行赋值操作；也可以利用内建的变量来传递，如rgba中的a分量；

in vec4 vertMass；

纹理数据；

shader编程还是内嵌到固定流水线当中，内建变量的值还是来自固定流水线。

4.2 VS的输出

特定变量（Special Output Variables）；可读可写；
内建顶点属性变量（加out限定符）；可读可写；
自定义的顶点属性变量（加out限定符）；

4.3 FS输入

内建的uniform变量;
内建的in类型变量；
其他

4.4 FS的输出

可以将缓冲数据绘制到gl_FragData，后面通过gl_FragData获取绘制到缓冲区的数据；

5.VS的out变量与FS的in变量的对应

6.总结

附录：图形编程技术，北京林业大学，杨刚

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