五、着色器

从基本意义上来说，着色器只是一种把输入转化为输出的程序。着色器也是一种非常独立的程序，因为它们之间不能相互通信；它们之间唯一的沟通只有通过输入和输出。

GLSL

着色器是使用一种叫GLSL的类C语言写成的。GLSL是为图形计算量身定制的，它包含一些针对向量和矩阵操作的有用特性。

着色器的开头总是要声明版本，接着是输入和输出变量、uniform和main函数。每个着色器的入口点都是main函数，在这个函数中我们处理所有的输入变量，并将结果输出到输出变量中。Uniform是一种从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式，后面再详细讲。

一个典型的着色器有下面的结构：

#version version_number
in type in_variable_name;
in type in_variable_name;

out type out_variable_name;

uniform type uniform_name;

int main()
{
  // 处理输入并进行一些图形操作
  ...
  // 输出处理过的结果到输出变量
  out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}

顶点着色器的每个输入变量也叫顶点属性(Vertex Attribute)。能声明的顶点属性是有上限的，它一般由硬件来决定。OpenGL确保至少有16个包含4分量的顶点属性可用，但是有些硬件或许允许更多的顶点属性，可以查询GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS来获取具体的上限：glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &nrAttributes)

数据类型

GLSL中包含C等其它语言大部分的默认基础数据类型：int、float、double、uint和bool。GLSL也有两种容器类型，分别是向量(Vector)和矩阵(Matrix)，矩阵还没有用到，这里先讲向量。

image.png

大多数时候我们使用vecn，因为float足够满足大多数要求了。

向量分量可以通过vec.x这种方式获取，这里x是指这个向量的第一个分量。你可以分别使用.x、.y、.z和.w来获取它们的第1、2、3、4个分量。GLSL也允许你对颜色使用rgba，或是对纹理坐标使用stpq访问相同的分量。

向量这一数据类型也允许一些有趣而灵活的分量选择方式，叫做重组(Swizzling)。重组允许这样的语法：

vec2 someVec;
vec4 differentVec = someVec.xyxx;
vec3 anotherVec = differentVec.zyw;
vec4 otherVec = someVec.xxxx + anotherVec.yxzy;

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，以减少需求参数的数量：

vec2 vect = vec2(0.5, 0.7);
vec4 result = vec4(vect, 0.0, 0.0);
vec4 otherResult = vec4(result.xyz, 1.0);

输入和输出

GLSL定义了in和out关键字实现输入输出，只要一个输出变量与下一个着色器阶段的输入匹配（类型和名字都一样），它就会传递下去，这是在链接程序对象时完成的。

顶点着色器应该接收的是一种特殊形式的输入，否则就会效率低下。顶点着色器的输入特殊在，它从顶点数据中直接接收输入。为了定义顶点数据该如何管理，我们使用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，这样我们才能把它链接到顶点数据。也可以忽略layout (location = 0)标识符，通过在OpenGL代码中使用glGetAttribLocation查询属性位置值(Location)，但设置它们更容易理解而且节省你（和OpenGL）的工作量。

片段着色器需要一个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。如果在片段着色器没有定义输出颜色，OpenGL会把物体渲染为黑色（或白色）。

uniform

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。第二，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。

使用glGetUniformLocation查询uniform变量的位置值，两个参数分别着色器程序和变量名，如果glGetUniformLocation返回-1就代表没有找到这个位置值。最后，通过glUniform（OpenGL在其核心是一个C库，所以它不支持类型重载，有特定的后缀，数量和类型）函数设置uniform值。注意，查询uniform地址不要求之前使用过着色器程序，但是更新一个uniform之前必须先使用程序（调用glUseProgram)，因为它是在当前激活的着色器程序中设置uniform的。

写自己的着色器类

编写、编译、管理着色器是件麻烦事。在着色器主题的最后，我们会写一个类来让我们的生活轻松一点，它可以从硬盘读取着色器，然后编译并链接它们，并对它们进行错误检测。

#ifndef SHADER_H
#define SHADER_H

#include <glad/glad.h>

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sstream>

using namespace std;

class Shader
{
public:
    unsigned int shaderProgramId;

    Shader(const GLchar* vertexShaderPath, const GLchar* fragmentShaderPath);
    //~Shader();
    void use();
    // uniform工具函数
    void setFloat(const string &name, float value) const;
    void setInt(const string &name, int value) const;

private:
    void checkCompileErrors(unsigned int id, string type);
};

在头文件顶部使用了几个预处理指令(Preprocessor Directives)。这些预处理指令会告知你的编译器只在它没被包含过的情况下才包含和编译这个头文件，即使多个文件都包含了这个着色器头文件。它是用来防止链接冲突的。

着色器类储存了着色器程序的ID。它的构造器需要顶点和片段着色器源代码的文件路径，这样我们就可以把源码的文本文件储存在硬盘上了。除此之外，为了让我们的生活更轻松一点，还加入了一些工具函数：use用来激活着色器程序，所有的set…函数能够查询一个unform的位置值并设置它的值。

Shader::Shader(const GLchar* vertexShaderPath, const GLchar* fragmentShaderPath)
{
    // retrieve the vertex/fragment source code from filePath begin
    string vertexStr, fragmentStr;
    ifstream vShaderFile, fShaderFile;
    vShaderFile.exceptions(ifstream::failbit | ifstream::badbit);
    fShaderFile.exceptions(ifstream::failbit | ifstream::badbit);
    try
    {
        vShaderFile.open(vertexShaderPath);
        fShaderFile.open(fragmentShaderPath);
        stringstream vShaderStream, fShaderStream;
        vShaderStream << vShaderFile.rdbuf();
        fShaderStream << fShaderFile.rdbuf();
        vShaderFile.close();
        fShaderFile.close();
        vertexStr = vShaderStream.str();
        fragmentStr = fShaderStream.str();
    }
    catch (ifstream::failure e)
    {
        cout << "ERROR::SHADER::FILE_NOT_SUCCESFULLY_READ" << endl;
    }

    const char* vShaderSource = vertexStr.c_str();
    const char* fShaderSource = fragmentStr.c_str();
    // retrieve the vertex/fragment source code from filePath end


    // compile shaders begin
    unsigned int vertexShader, fragmentShader;

    vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vShaderSource, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);
    checkCompileErrors(vertexShader, "VERTEX");

    fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fShaderSource, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);
    checkCompileErrors(fragmentShader, "FRAGMENT");

    shaderProgramId = glCreateProgram();
    glAttachShader(shaderProgramId, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgramId, fragmentShader);
    glLinkProgram(shaderProgramId);
    checkCompileErrors(shaderProgramId, "PROGRAM");

    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);
    // compile shaders end
}

void Shader::checkCompileErrors(unsigned int id, string type)
{
    int success;
    char infoLog[512];
    
    if (type == "PROGRAM")
    {
        glGetProgramiv(id, GL_LINK_STATUS, &success);
        if (!success)
        {
            glGetProgramInfoLog(id, 512, NULL, infoLog);
            cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << endl;
        }
    }
    else
    {
        glGetShaderiv(id, GL_COMPILE_STATUS, &success);
        if (!success)
        {
            glGetShaderInfoLog(id, 512, NULL, infoLog);
            cout << "ERROR::SHADER::" << type << "::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << endl;
        }
    }
}

首先使用C++文件流读取着色器内容，储存到几个string对象里，下一步，我们需要编译和链接着色器。注意，我们也将检查编译/链接是否失败，如果失败则打印编译时错误，调试的时候这些错误输出会及其重要。

void Shader::use()
{
    glUseProgram(shaderProgramId);
}

void Shader::setFloat(const string &name, float value) const
{
    glUniform1f(glGetUniformLocation(shaderProgramId, name.c_str()), value);
}

void Shader::setInt(const string &name, int value) const
{
    glUniform1i(glGetUniformLocation(shaderProgramId, name.c_str()), (int)value);
}

use和set是一些封装。

Shader shader("vShader.txt", "fShader.txt");
shader.use();
shader.setInt("texture1", 0);
shader.setInt("texture2", 1);

使用也很简单，vShader.txt与fShader.txt是着色器程序，也可以使用其他的命名和拓展名。