OpenGL自学笔记(四)(着色器)

Answer 1

这一章节没有太多新内容，主要是对之前内容的复述。如果你熟悉shadertoy，那么这一部分可能不需要过多解释。更建议阅读资深人士的教程。

着色器（Shader）是一种运行在GPU上的小程序，为图形渲染管道的特定部分提供支持。从基本意义上讲，着色器是一种将输入转换为输出的程序。着色器非常独立，它们之间不能相互通信，唯一的沟通方式是通过输入和输出。

着色器使用GLSL（类似C语言）编写。除了GLSL，还有HLSL、CG等其他语言。GLSL是为图形计算专门设计的，包含针对向量和矩阵的有用特性。

以下是着色器的基础结构。

在顶点着色器中，每个输入变量被称为顶点属性。可声明的顶点属性数量有限，通常由硬件决定。一般至少有16个（包含4个分量）的顶点属性可用。

GLSL包含C等其他语言的大部分默认基础类型：int、float、double、unit和bool。同时还有两种容器类型：向量（Vector）和矩阵（Matrix）。

GLSL中的向量是一个可以包含最高4个分量的容器，分量类型是基础类型之一。大多数情况下，使用vecn就足够了。一个拥有4个分量的向量可以通过点访问符号进行访问，分别使用.x、.y、.z和.w来获取第1~4个分量。对于颜色，则使用rgba进行访问，同理对纹理坐标则使用stpq访问相同的分量。

重组是向量分量的一种灵活用法，允许使用原来向量的分量任意组合形成一个新的向量。但是不允许从vec2中获取.z元素，即2维向量不能获取第四个分量。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。

着色器是独立的小程序，但也是整体的一部分。因此，每个着色器都有输入和输出，以便进行数据交流和传递。GLSL定义了in和out关键字专门来实现这个目的。每个着色器使用这两个关键字设定输入和输出，只要一个输出变量与下一个着色器阶段的输入匹配，它就会传递下去。但在顶点和片段着色器中会有所不同。

顶点着色器应该接收特殊形式的输入，否则会效率低下。顶点着色器的输入特殊在于它直接从顶点数据中接收输入。为了定义顶点数据该如何管理，使用location这一元数据指定输入变量，这样我们才可以在CPU上配置顶点属性。我们已经在前面的教程中看过这个了，layout (location = 0)。顶点着色器需要为它的输入提供一个额外的layout标识，以便将其链接到顶点数据。也可以通过在OpenGL代码中使用glGetAttribLocation查询属性位置值（Location）。

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中没有定义输出颜色，OpenGL会把你的物体渲染为黑色（或白色）。

因此，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）。

uniform是一种从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式，但uniform和顶点属性有些不同。首先，uniform是全局的（Global）。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。其次，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。

我们可以在一个着色器中添加uniform关键字至类型和变量名前来声明一个GLSL的uniform。从此处开始我们就可以在着色器中使用新声明的uniform了。通过uniform设置三角形的颜色：

这里在片段着色器中声明了一个uniform的四维向量作为最终颜色输出。因为uniform是全局变量，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，所以不用在顶点着色器中定义这个uniform。

如果声明了一个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！

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：

glfwGetTime()获取程序运行秒数，使用sin得到[-1,1]区间的值，最后做一个[0-1]区间的规范化，储存为一个变量。用glGetUniformLocation查询uniform变量的位置值。参数就是着色器程序对象和uniform变量名。如果返回-1，意味着没有找到。最后是通过glUniform4f函数设置uniform变量的值（根据位置值设置变量）第一个参数是位置值，后面就是设置的值了。

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之前你必须先激活程序，因为它是在当前激活的着色器程序中设置uniform的。

现在写一个着色器类用来读取硬盘中的着色器文件，编译并链接它们。

这里把所有的着色器类都放在头文件中。第一行的包含是用来防止链接冲突的，once意思是该头文件只被包含一次。着色器类储存了着色器程序的ID。它的构造函数需要顶点和片段着色器源代码的文件路径，这样可以把着色器源码的文本文件储存在硬盘上。use用来激活着色器程序。所有的set…函数能够查询一个uniform的位置值并设置它的值。

这里我创建了一个新的CPP文件用来定义着色器头文件中的声明内容。

构造函数中是处理着色器文件的读取并编译和链接着色器。而检查编译和链接的函数如下。除此之外还有激活程序，自己额外加了个删除的程序。

uniform的setter函数：

创建一个着色器对象，读取文件路径即可。

有可能这一步会出一点问题，不知道具体包含路径。我这里的../表示上级目录，这里是返回到解决方案文件夹了。

其实可以在构造函数中的catch中打印当前输入的路径，就可以知道路径与资源文件夹中路径是否一致。

最后在渲染循环中渲染：