@qidiandasheng 2020-07-16T16:56:27.000000Z 字数 5948 阅读 1518

OpenGL ES着色器

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介绍

着色器(Shader)是运行在GPU上的小程序。这些小程序为图形渲染管线的某个特定部分而运行。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是OpenGL着色器语言，GLSL是一门特殊的有着类似于C语言的语法，在图形管道(graphic pipeline)中直接可执行的OpenGL着色语言。

最常用到的两种着色器分别为顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）。

顶点着色器

什么是顶点呢？

比如你用 OpenGL 画一个三角形，那就是创建了三个顶点。

而顶点着色器就是每个顶点调用一次的程序。

在顶点着色器中，可以访问到顶点的三维位置、颜色、法向量等信息。可以通过修改这些值，或者将其传递到片元着色器中，实现特定的渲染效果。

顶点着色器代码

顶点着色器其目的是设置 gl_Position 变量 -- 这是一个特殊的全局内置变量, 它是用来存储当前顶点的位置。

attribute vec4 position;
 attribute vec4 inputTextureCoordinate;
 varying vec2 textureCoordinate;
 void main()
 {
     gl_Position = position;
     textureCoordinate = inputTextureCoordinate.xy;
 }

这个 void main() 函数是定义全局gl_Position变量的标准方式. 所有在这个函数里面的代码都会被着色器执行. 如果将3D空间中的位置投射到2D屏幕上这些信息都会保存在计算结果的变量中。

片元着色器

“片元”的概念大家可能相对陌生一些。但是一个相似的概念是“像素”，这你一定听说过。

场景渲染到显示器的过程中，有一个步骤叫光栅化（Rasterization）。由于我们现在的显示器绝大多数是基于像素的（就是由一个个非常小的红绿蓝 LED 组成的显示单元），所以“连续”的三维场景，要显示到“离散”的显示器上，需要经过的变化操作就叫光栅化。

光栅化后得到的就得到了一个个“片元”。片元和像素已经非常接近了，但两者仍是有区别的。用一种通俗的说法来解释的话，就是比如三维空间内有两个从摄像机角度看过去一前一后的三角形，它们重叠部分的显示区域，每个像素对应两个片元；不重叠的部分，像素和片元一一对应。当然，这个例子是我简化过的，真实的对应关系可能更复杂一些。

这里我们并不需要了解片元的概念太深刻，只要知道它是非常接近像素，但是又不等同于像素的就可以了。

同样，片元着色器就是每个片元调用一次的程序。

在片元着色器中，可以访问到片元在二维屏幕上的坐标、深度信息、颜色等信息。通过改变这些值，可以实现特定的渲染效果。

片段着色器代码

片段 (或者纹理) 着色器在计算时定义了每像素的 RGBA 颜色 — 每个像素只调用一次片段着色器. 这个着色器的作用是设置 gl_FragColor 变量, 也是一个GLSL内置变量:

varying highp vec2 textureCoordinate;
uniform sampler2D inputImageTexture;
void main()
{
   gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, textureCoordinate);
}

计算结果包含RGBA颜色信息。

变量类型

attribute

attribute 修饰符只存在于顶点着色器中，用于储存每个顶点信息的输入，比如这里定义了 Position 和 TextureCoords ，用于接收顶点的位置和纹理信息。

varying

varying 修饰符指顶点着色器的输出，同时也是片段着色器的输入，要求顶点着色器和片段着色器中都同时声明，并完全一致，则在片段着色器中可以获取到顶点着色器中的数据。

uniform

uniform 用来保存传递进来的只读值，该值在顶点着色器和片段着色器中都不会被修改。顶点着色器和片段着色器共享了 uniform 变量的命名空间，uniform 变量在全局区声明，同个 uniform 变量在顶点着色器和片段着色器中都能访问到。

数据类型

和其他编程语言一样，GLSL有数据类型可以来指定变量的种类。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)。

向量(Vector)

GLSL中的向量是一个可以包含有1、2、3或者4个分量的容器，分量的类型可以是前面默认基础类型的任意一个。它们可以是下面的形式（n代表分量的数量）：

类型	含义
vecn	包含n个float分量的默认向量
bvecn	包含n个bool分量的向量
ivecn	包含n个int分量的向量
uvecn	包含n个unsigned int分量的向量
dvecn	包含n个double分量的向量

大多数时候我们使用vecn，因为float足够满足大多数要求了。

一个向量的分量可以通过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;

你可以使用上面4个字母任意组合来创建一个和原来向量一样长的（同类型）新向量，只要原来向量有那些分量即可；然而，你不允许在一个vec2向量中去获取.z元素。我们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(0.5f, 0.7f);
vec4 result = vec4(vect, 0.0f, 0.0f);
vec4 otherResult = vec4(result.xyz, 1.0f);

函数

texture2D()

方法可以根据纹理坐标，获取对应的颜色信息。

//inputImageTexture：纹理  textureCoordinate：纹理坐标
vec4 textureColor = texture2D(inputImageTexture, textureCoordinate);

例子

编写着色器

顶点着色器：

attribute vec4 Position;
attribute vec2 TextureCoords;
varying vec2 TextureCoordsVarying;
void main (void) {
    gl_Position = Position;
    TextureCoordsVarying = TextureCoords;
}

片元着色器：

precision mediump float;
uniform sampler2D Texture;
varying vec2 TextureCoordsVarying;
void main (void) {
    vec4 mask = texture2D(Texture, TextureCoordsVarying);
    gl_FragColor = vec4(mask.rgb, 1.0);
}

编译着色器

shaderType：着色器类型，GL_VERTEX_SHADER：顶点着色器，GL_FRAGMENT_SHADER：片元着色器
shaderString：着色器代码，也就是我们上面编写的着色器代码的string

// 创建一个 shader 对象
GLuint shader = glCreateShader(shaderType);
// 获取 shader 的内容
const char *shaderStringUTF8 = [shaderString UTF8String];
int shaderStringLength = (int)[shaderString length];
glShaderSource(shader, 1, &shaderStringUTF8, &shaderStringLength);
// 编译shader
glCompileShader(shader);

挂载着色器到着色器程序

// 根据上一步的编译着色器得到顶点着色器和片元着色器
GLuint vertexShader = [self compileShaderWithShaderString:vertexShaderString type:GL_VERTEX_SHADER];
GLuint fragmentShader = [self compileShaderWithShaderString:fragmentShaderString type:GL_FRAGMENT_SHADER];
// 挂载 shader 到 program 上
GLuint program = glCreateProgram();
glAttachShader(program, vertexShader);
glAttachShader(program, fragmentShader);
// 链接 program
glLinkProgram(program);
// 使用 program
glUseProgram(program);

给着色器设置数据

获取着色器中的参数

// 顶点坐标
GLuint positionSlot = glGetAttribLocation(program, "Position");
// 纹理坐标
GLuint textureCoordsSlot = glGetAttribLocation(program, "TextureCoords");
// 纹理
GLuint textureSlot = glGetUniformLocation(program, "Texture");

将纹理传给着色器

// 激活纹理单元0
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
// 绑定纹理到纹理单元下的target：GL_TEXTURE_2D
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);
// 设置着色器textureSlot的值为纹理单元0
glUniform1i(textureSlot, 0);

将顶点坐标数据传给着色器

static const GLfloat vertices[] = {
    -1.0f, -1.0f, 0.0f,
    1.0f, -1.0f, 0.0f,
    -1.0f,  1.0f, 0.0f,
    1.0f,  1.0f, 0.0f,
};
glEnableVertexAttribArray(positionSlot);
glVertexAttribPointer(positionSlot, 3, GL_FLOAT, 0, 0, vertices);

将纹理坐标数据传给着色器

static const GLfloat textureCoordinates[] = {
    0.0f, 1.0f,
    1.0f, 1.0f,
    0.0f, 0.0f,
    1.0f, 0.0f,
};
glEnableVertexAttribArray(textureCoordsSlot);
glVertexAttribPointer(textureCoordsSlot, 2, GL_FLOAT, 0, 0, textureCoordinates);

开始绘制

glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);

例子：颜色转换着色器

着色器编写