OpenGL笔记十四：GLSL语法
前言
期待您移步上篇：OpenGL笔记十三：GLSL加载纹理颠倒六种方案
概述
GLSL 全称 OpenGL Shading Language，是用来在 OpenGL 中着色编程的语言，即开发人员写的自定义程序代码。是执行在 GPU上的，代替了固定的渲染管线的一部分，使渲染管线中不同层次具有可编程性。
GLSL 其使用 C 语言作为基础高阶着色语言，避免了使用汇编语言或硬件规格语言的复杂性。
GLSL 的变量命名方式与 C 语言类似，可使用字母，数字以及下划线，不能以数字开头。还需要注意的是，变量名不能以 gl_ 作为前缀，这个是 GLSL 保留的前缀，用于 GLSL 的内部变量。
数据类型
1.基本数据类型
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| void | 表示空类型，作为函数的返回类型，表示这个函数不返回值。 |
| bool | 布尔类型，true or false，以及能产生布尔型的表达式。 |
| int | 有符号整型 |
| uint | 无符号整型 |
| float | 浮点型 |
2.纹理采样类型
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| sampler1D | 用于内建的纹理函数中引用指定的1D纹理的句柄。只可以作为一致变量或者函数参数使用 |
| sampler2D | 二维纹理 |
| sampler3D | 三维纹理 |
| samplerCube | 盒纹理 cube mapped texture |
| sampler1DShadow | 一维深度纹理 |
| sampler2DShadow | 二维深度纹理 |
3.向量类型
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| vec2, vec3, vec4 | n维浮点数向量 n-component floating point vector |
| ivec2,ivec3,ivec4 | n维整数向量 signed integer vector |
| uvec2,uvec3,uvec4 | n维无符号整数向量 unsigned integer vector |
| bvec2,bvec3,bvec4 | n维布尔向量 Boolean vector |
- 向量声明-4分量float 类型向量
vec4 V1;
- 声明并对其构造初始化
vec4 V2 = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);
- 向量运算
vec4 v1;
vec4 v2 = vec4(1.0,2.0,3.0,4.0);
vec4 v3 = vec4(1.0,2.0,3.0,4.0);
//注意：接下来假设所有参与运算的变量已定义并赋值。
v1 = v2 + v3;
v1 = v4;
v1 += vec4(1.0,1.0,1.0,1.0);
v1 = v1 * v2;
v1 *= 5.0;
- 向量元素的获取（成分选择）
4分向量对应的意义可分为： {x,y,z,w}、{r,g,b,a} 、 {s,t,p,q} 。分别对应于 顶点坐标，颜色，纹理坐标。
因此就可以单独获取、赋值某单一元素：
//通过x,y,z,w来获取向量中元素值
v1.x = 3.0f;
v1.xy = vec2(3.0f,4.0f);
v1.xyz = vec3(3,0f,4,0f,5.0f);
//通过颜色r,g,b,a
v1.r = 3.0f;
v1.rgba = vec4(1.0f,1.0f,1.0f,1.0f);
//纹理坐标s,t,p,q
v1.st = vec2(1.0f,0.0f);
不可以混合使用
v1.st = v2.xt;//这是不可以的，Error !!!
- 向量swizzle
向量支持swizzle操作，2个及2个以上的向量元素交换。
v1.rgba = v2.bgra;
v2.bgra = v1.rgba;
v1.rgba = v2.brga;
- 向量赋值、一次性对所有分量操作
//赋值
v1.r = v2.b;
v1.g = v2.g;
v1.b = v2.r;
v1.a = v2.a;
//向量还支持一次性对所有分量操作
v1.x = v2.x +5.0f;
v1.y = v2.y +4.0f;
v1.z = v2.z +3.0f;
v1.xyz = v2.xyz + vec3(5.0f,4.0f,3.0f);
4.矩阵类型
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| mat2、mat2x2 | 2x2的浮点数矩阵类型 |
| mat3、mat3x3 | 3x3的浮点数矩阵类型 |
| mat4、mat4x4 | 4x4的浮点矩阵 |
| mat2x3 | 2列3行的浮点矩阵(OpenGL的矩阵是列主顺序的) |
| mat2x4 | 2列4行的浮点矩阵 |
| mat3x2 | 3列2行的浮点矩阵 |
| mat3x4 | 3列4行的浮点矩阵 |
| mat4x2 | 4列2行的浮点矩阵 |
| mat4x3 | 4列3行的浮点矩阵 |
- 创建矩阵：
mat4 m1,m2,m3;
- 构造单元矩阵：
mat4 m4 = mat4(1.0f,0.0f,0.0f,0.0f
0.0f,1.0f,0.0f,0.0f,
0.0f,0.0f,1.0f,0.0f,
0.0f,0.0f,0.0f,1.0f);
//或者
mat4 m5 = mat4(1.0f);
5.结构体
结构体可以组合基本类型和数组来形成用户自定义的类型。在定义一个结构体的同时，你可以定义一个结构体实例，或者后面再定义。
struct fogStruct {
vec4 color;
float start;
float end;
vec3 points[3]; // 固定大小的数组是合法的
} fogVar;
通过 = 为结构体赋值。使用 ==，!= 来判断两个结构体是否相等。
fogVar = fogStruct(vec4(1.0,0.0,0.0,1.0),0.5,2.0);
vec4 color = fogVar.color;
float start = fogVar.start;
6.数组
float floatArray[4];
vec4 vecArray[2];
//注意
float a[4] = float[](1.0,2.0,3.0,4.0);
vec2 c[2] = vec2[2](vec2(1.0,2.0),vec2(3.0,4.0));
修饰符
*存储变量限定符
| 限定符 | 描述 |
|---|---|
| none | (默认的可省略)本地变量，可读可写，外部不可见，函数的输入参数既是这种类型 |
| const | 常量值必须在声明时初始化，它是只读的不可修改的 |
| attribute | 表示只读的顶点数据，只能存在于vertex shader中,一般用于保存顶点或法线数据,它可以在数据缓冲区中读取数据。数据来自当前的顶点状态或者顶点数组。它必须是全局范围声明的，不能再函数内部。一个attribute可以是浮点数类型的标量，向量，或者矩阵。不可以是数组或则结构体。 |
| varying | 顶点着色器的输出，主要负责在 vertex 和 fragment 之间传递变量。例如颜色或者纹理坐标，（插值后的数据）作为片段着色器的只读输入数据。必须是全局范围声明的全局变量。可以是浮点数类型的标量，向量，矩阵。不能是数组或者结构体。 |
| centorid varying | 在没有多重采样的情况下，与varying是一样的意思。在多重采样时，centorid varying在光栅化的图形内部进行求值而不是在片段中心的固定位置求值。 |
| uniform | 一致变量。在着色器执行期间一致变量的值是不变的， 一般用来放置程序传递给shader的变换矩阵，材质，光照参数等等。与const常量不同的是，这个值在编译时期是未知的是由着色器外部初始化的。一致变量在顶点着色器和片段着色器之间是共享的。它也只能在全局范围进行声明。 |
| invariant | (不变量)用于表示顶点着色器的输出和任何匹配片段着色器的输入，在不同的着色器中计算产生的值必须是一致的。所有的数据流和控制流，写入一个invariant变量的是一致的。编译器为了保证结果是完全一致的，需要放弃那些可能会导致不一致值的潜在的优化。除非必要，不要使用这个修饰符。在多通道渲染中避免z-fighting可能会使用到。 |
- 函数参数限定符
GLSL 允许自定义函数，但参数默认是以值形式（in 限定符）传入的，也就是说任何变量在传入时都会被拷贝一份，若想以引用方式传参，需要增加函数参数限定符。
| 限定符 | 描述 |
|---|---|
| < none: default > | 默认使用 in 限定符 |
| in | 用在函数的参数中，表示这个参数是输入的，在函数中改变这个值，并不会影响对调用的函数产生副作用。（相当于C语言的传值），这个是函数参数默认的修饰符 |
| out | 用在函数的参数中，表示该参数是输出参数，值是会改变的。 |
| inout | 用在函数的参数，表示这个参数即是输入参数也是输出参数。 |
其中使用 inout 方式传递的参数便与其他 OOP 语言中的引用传递类似，参数可读写，函数内对参数的修改会影响到传入参数本身。
vec4 getPosition(out vec4 p){
p = vec4(0.,0.,0.,1.);
return v4;
}
void doubleSize(inout float size){
size= size * 3.0 ;
}
GLSL 中的运算
- 逐分量运算
vec，mat 这些类型其实是由 float 复合而成的，当它们与float 运算时，其实就是在每一个分量上分别与 float 进行运算，这就是所谓的 逐分量运算。GLSL 里，大部分涉及 vec，mat 的运算都是逐分量运算，但也并不全是。下文中就会讲到特例。
逐分量运算 是线性的，这就是说 vec 与 float 的运算结果是还是 vec。
注意 GLSL 中没有隐式转换。
因此 int 与 vec，mat 之间是不可运算的，因为 vec 和 mat 中的每一个分量都是 float 类型的，无法与 int 进行逐分量计算。
vec3 a = vec3(1.0, 2.0, 3.0);
mat3 m = mat3(1.0);
float s = 10.0;
vec3 b = s * a; // vec3(10.0, 20.0, 30.0)
vec3 c = a * s; // vec3(10.0, 20.0, 30.0)
mat3 m2 = s * m; // = mat3(10.0)
mat3 m3 = m * s; // = mat3(10.0)
-
vec(向量) 与 vec(向量)运算
两向量间的运算首先要保证操作数的阶数都相同，否则不能计算。例如: vec3*vec2 和 vec4+vec3等等都是不行的。
它们的计算方式是两操作数在同位置上的分量分别进行运算，其本质还是逐分量进行的，这和上面所说的 float 类型的逐分量运算可能有一点点差异，相同的是 vec 与 vec 运算结果还是 vec，且阶数不变。 - vec(向量) 与 mat(矩阵)
要保证操作数的阶数相同(这里的矩阵是方阵)，且 vec 与 mat 间只存在乘法运算。
vec2 v = vec2(10., 20.);
mat2 m = mat2(1., 2., 3., 4.);
vec2 w = m * v; // = vec2(1. * 10. + 3. * 20., 2. * 10. + 4. * 20.)
vec2 v = vec2(10., 20.);
mat2 m = mat2(1., 2., 3., 4.);
vec2 w = v * m; // = vec2(1. * 10. + 2. * 20., 3. * 10. + 4. * 20.)
精度限定
GLSL 在进行光栅化着色的时候，会产生大量的浮点数运算，这些运算可能是当前设备所不能承受的，所以 GLSL 提供了 3 种浮点数精度：highp、mediump、lowp ，我们可以根据不同的设备来使用合适的精度。
在变量前面加上 highp、mediump、lowp 即可完成对该变量的精度声明：
lowp float color;
varying mediump vec2 Coord;
lowp ivec2 foo(lowp mat3);
highp mat4 m;
在顶点着色器(vertexment shader)里默认是 highp 精度的。
在片元着色器(fragment shader)中是没有默认精度的。可以统一：precision mediump float;设置精度，也可以单独对每一个变量各自设置精度。
控制语句
在语法上，GLSL 与 C 非常相似， 也有 if else、for、while、do while，使用 continue 跳入下一次循环，break 结束循环。
for (l = 0; l < numLights; l++) {
if (!lightExists[l]);
continue;
color += light[l];
}
while (i < num) {
sum += color[i];
i++;
}
do {
color += light[lightNum];
lightNum--;
} while (lightNum > 0);
GLSL 还多了一种特殊的控制语句 discard，它会立即跳出片元着色器，并不在向下任何语句。也就不执行后面的片段着色操作，片段也不会写入帧缓冲区。注 GLSL 函数中没有递归！
if (true) {
discard;
}
期待您移步下篇：OpenGL笔记十五：GLSL光照计算
