拓幻图形学工程师教学手册(第八讲)|一字一字敲出OpenGL学习教程

Posted 2022-11-05

上次教程关于光照，这次内容会比较复杂，关于着色器（Shader），GLSL（OpenGL Shading Language）。对于初次接触图形学的童鞋，可能比较晦涩。并且用Mac开发的同学注意，本教程中有关Shader内容，环境均为win下VS，但这并不代表Mac不支持Shader，只是需要配置一些环境，Google可以百度一下。

6. 着色器(Shader)
   6.1 着色器分类
   还记得第一讲中的管线图吗？有个词叫光栅化，记得吗？在光栅化之前都是对顶点进行变换，顶点光照和投影变换等，这些都是对顶点进行操作，其对应的着色器也叫做顶点着色器(Vertex Shader)。光栅化之后，进行片元处理，纹理映射等都是对片元的操作，对应的着色器也叫片元着色器(Fragment Shader)。当然也会有别的着色器，比如细分着色器，计算着色器等，有兴趣可以了解。
   
   6.2 GLSL概述
   首先介绍一下GLSL的变量类型。GLSL中，有四种类型参数：顶点属性(attribute)，一致变量(uniform)，还有一种有人称为易变变量(varying)，但是这里我们将它称为out/in变量。varing是很早之前的版本，现在大部分都改为out/in了。最后一个是常数变量(const)。

顶点属性(attribute)，是只能在vertex shader中使用的变量，用来表示一些顶点的数据，如：顶点坐标，法线，纹理坐标，顶点颜色等。

一致变量(uniform)，是外部application程序传递给（vertex和fragment）shader的变量，可以理解为全局变量，并且是只读的属性，不能通过shader来改变其值。

易变变量(out/in)，被从一个着色器传递至下一个着色器，相当于模块之间的接口。在我们上述提到的情况里，out变量来自于vertex shader，然后到fragment shader变为in变量。当然，顶点属性(attribute)变量可以当做vertex shader的in变量。

常数变量(const)，这个就不用多做介绍了吧，和你理解的常量是一个意思。

了解了变量种类，来看看GLSL语言的风格。其实GLSL某种意义上更像是C语言为图形学的一种扩展语言。比如也有 int, ivec2, ivec3, ivec4，float, vec2, vec3, vec4 ，bool, bvec2, bvec3, bvec4等类型。vector的元素可以通过"."来获取，比如c1.rgba= c2.abgr 。当然也有不一样的部分，比如没有string类型，没有枚举enums，当然更没有指针，并且数组也只能用一维数组。

这里介绍一个GLSL的操作discard，片元丢弃。这是用在片元着色器进行丢弃当前片元的，效果如下：

我们刚刚提到还有其他类型的shader，比如细分着色器(Tessellation Shader)，几何着色器(Geometry Shader)等，但我们的材料只会提及顶点和片元着色器，其他的不会涉及，之后有时间可能会做一组专门关于shader的教程，那时候会设计这些着色器。我们看下shaders的流程图吧：

接下里进入正题，首先从顶点着色器开始。

6.3 着色器示例代码
顶点着色器(Vertex Shader)，会进行顶点变换，法线变换，法线归一化，计算顶点光照，以及得到顶点的纹理坐标并将其传到片元着色器。

内置的Vertex Shader变量主要用到的有：

vec4 gl_Vertex
vec3 gl_Normal
vec4 gl_Color
vec4 gl_MultiTexCoord0
mat4 gl_ModelViewMatrix
mat4 gl_ProjectionMatrix
mat4 gl_ModelViewProjectionMatrix
mat4 gl_NormalMatrix (this is the transpose of the inverse of the MV matrix)

vec4 gl_Position

片元着色器(Fragment Shader)，会进行颜色的计算，纹理映射，处理片元光照操作，还有颜色的融合以及片元丢弃等操作。

内置的Fragment Shader变量主要用到的有：

vec4 gl_FragColor

这样就可以写出一个最简单的vertex shader和fragment shader：

在vertex shader中有gl_ModelViewProjectionMatrix gl_Vertex这么一句话，其实可以分开，写成gl_ProjectionMatrix gl_ModelViewMatrix gl_Vertex，但是变换每个顶点时，投影矩阵都将乘上模型视图矩阵，这显然非常浪费时间，因为这些矩阵不是随每个顶点变化的。所以GLSL提供一些派生的矩阵，也就是说gl_ModelViewProjectionMatrix是上面两个矩阵的乘积，所以便写成gl_ModelViewProjectionMatrix gl_Vertex。