opengl 教程(4) shader(1)

     原帖地址：http://ogldev.atspace.co.uk/www/tutorial04/tutorial04.html

     本章开始学习shader的使用，以前大家常使用OpenGL固定管线来做一些程序，shader相对来说使用较少，而现代gpu编程，shader应用少不了，虽然使用shader编程，代码多一点，但是却更灵活。

     OpenGL的shader管线框图如下，注意，少了tessellation的部分，而OpenGL中的tessellation和d3d11中的是一样的，只是每个阶段名字叫的不一样而已，后面教程中会提到。

      第一步是vertex processor(vs)，第二步是geometry processor(gs)，第三步是clip操作（还应该包括PA, primitive assembly)，最后是光栅化以及fragment processor(ps)。

      可以看下D3D11教程的介绍，来和opengl的管线比较一下，其实除了名字，本质都是一样的，因为都是相同的硬件。

http://www.cnblogs.com/mikewolf2002/archive/2012/03/24/2415141.html

 

1. 顶点处理(vertex processor)，该阶段主要是对每个顶点执行shader操作，顶点数量在draw函数中指定。顶点shader中没有任何体元语义的内容，仅是针对顶点的操作，比如坐标空间变化，纹理坐标变化等等。每个顶点都必须执行顶点shader，不能跳过该阶段，执行完顶点shader后，顶点进入下一个阶段。

2. 几何处理(geometry processor)，在该阶段，顶点的邻接关系以及体元语义都被传入shader，在几何shader中，不仅仅处理顶点本身，还要考虑很多附加的信息。几何shader甚至能改变输出体元语义类型，比如输入体元是一系列单独的点(point list体元语义)，而输出体元则是三角形或者两个三角形组成的四边形等等， 甚至我们还能在几何shader中输入多个顶点，对于每个顶点输出不同语义的体元。

3. clipper阶段，或者称作裁剪阶段，这是一个固定管线模块，它将用裁剪空间的6个面对体元进行裁剪操作，裁剪空间外的部分将会被移去，这时可能会产生新的顶点和新的三角形，用户也可以定义自己的裁剪平面进行裁剪操作，裁剪后的三角形将会被传到光栅化阶段。[注：在clipper之前，会有PA阶段，就是顶点shader或几何shader处理过的顶点被重新装配成三角形]

4. 光栅化阶段和片元操作阶段，clipper后的三角形会先被光栅化，产生很多的fragment(片元)，接着执行片元shader，在片元shader中，可能会装入纹理，从而产生最终的像素颜色。 【fragment可以理解为带sample、深度信息的像素】

    不同于D3D11的管线，OpenGL的顶点shader、几何shader以及片元shader都是可选的，如果没有指定它们，则会执行缺省的功能。

      shader管理类似于创建C/C++程序，首先写shader代码，把代码放在一个文本文件或者一个字符串中，然后编译该shader代码，把编译后的shader代码放到各个shader对象中，接着把shader对象链接到程序中，最后把shader送到GPU中去。

      链接shader时候，driver可能会优化shader代码，比如你的顶点shader可能会输出一个法向的参数，但后面的片元shader并没有使用它，可能driver就会进行优化操作，去掉该参数的输出，从而加快顶点shader的执行。

 

在opengl中编写shader程序，主要有以下步骤：

     首先创建一个shader程序对象，然后分别创建相应的shader对象，比如顶点shader对象, 片元shader对象，并把它们连接到shader程序对象。在创建shader对象时候，需要装入shader源码，编译shader，链接到shader程序对象几个步骤。

下面是主要的代码：

GLuint ShaderProgram = glCreateProgram();

我们首先创建一个shader程序对象，并把所有shader都链接到这个shader程序对象。

GLuint ShaderObj = glCreateShader(ShaderType);

      我们用上面的函数创建2个shader对象，其中一个shader类型是GL_VERTEX_SHADER，另一个是 GL_FRAGMENT_SHADER，指定shader源代码和编译shader的函数对于这两种类型的shader来说是一样的。

const GLchar* p[1];
p[0] = pShaderText;
GLint Lengths[1];
Lengths[0]= strlen(pShaderText);
glShaderSource(ShaderObj, 1, p, Lengths);


      在编译shader之前，我们首先要通过glShaderSource函数指定shader的源代码，该函数可以通过字符指针数组（实际上是二维指针const GLchar ** ，每个元素都是一个字符指针，指向相应的源代码）指定多个shader源代码。该函数第一个参数是shader对象，第二个参数是个整数，指定字符指针数组中元素的个数，即多少个源代码，第三个参数为字符指针数组地址，第四个参数是个整数指针数组，和shader字符指针数组对应，它指定每个shader源代码的字符数量。为了使程序简单，我们在glShaderSource中，字符指针数组元素只有一个，即只有一个slot来放源代码。

glCompileShader(ShaderObj);

上面这个函数用来编译shader对象。

GLint success;
glGetShaderiv(ShaderObj, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if (!success) {
    GLchar InfoLog[1024];
    glGetShaderInfoLog(ShaderObj, sizeof(InfoLog), NULL, InfoLog);
    fprintf(stderr, "Error compiling shader type %d: '%s'\n", ShaderType, InfoLog);
}

      通常编译shader的时候可能会碰到各种错误，这时候我们可以通过上面的代码得到编译状态并打印出错误信息，便于调试shader代码。

glAttachShader(ShaderProgram, ShaderObj);

最终把编译的shader对象和shader程序对象绑定起来。

glLinkProgram(ShaderProgram);

绑定之后是链接操作，链接操作之后，我们可以通过函数glDeleteShader释放中间shader对象。

glGetProgramiv(ShaderProgram, GL_LINK_STATUS, &Success);
if (Success == 0) {
    glGetProgramInfoLog(ShaderProgram, sizeof(ErrorLog), NULL, ErrorLog);
    fprintf(stderr, "Error linking shader program: '%s'\n", ErrorLog);
}

      通过上面的代码，我们来检测shader链接时候是否有错误。注意检测shader链接错误的代码和检测shader编译的代码有些不同(最大的不同就是使用不一样的函数)。

glValidateProgram(ShaderProgram);

      验证shader程序对象的有效性。这儿可能大家有点疑惑：既然前面已经链接成功，干嘛还要再次在验证有效性？其实它们之间是有点区别的，链接检测基于shader绑定，而验证有效性则是验证程序能否在现在的管线上执行。在复杂的应用中，有多个shader，多个状态，在每个draw之前，最好都做一次验证有效性的操作。在我们程序中，只做了一次验证。当然，为了减少验证的开销，我们可以只在debug阶段进行验证操作，而最终的release阶段不需要这些操作，从而减少程序开销，提高性能。

glUseProgram(ShaderProgram);

      最终，我们通过上面这个函数把链接好的程序对象送到shader管线。这个shader将对随后的所有draw有效，除非你用另一个shader程序对象代替它或者通过设置glUseProgram(NULL)禁止它(此时会打开固定管线功能)。如果你只指定一个shader对象，比如只有vertex shader，那么fragment shader则使用固定管线的功能。

     前面我们已经了解了shader管理的功能，下面看看顶点和片元shader的代码： (分别包含在 'pVS' 和 'pFS' 变量中，在我修改的代码中，会分别放在color.vs和color.ps中，并通过一个gclFile类来读写shader代码文件，这样便于调试shader代码)。

#version 400

这告诉编译器使用4.0版本的GLSL，如果编译器不支持，则会产生一个错误信息。

layout (location = 0) in vec3 Position;

      这个声明指定顶点shader中顶点的属性值是一个三维坐标向量，它的属性名字是Position，对于GPU中每个执行顶点shader的顶点，该属性值都有效，即意味着顶点buffer中的值被解释为位置。 layout (location = 0)在顶点buffer和顶点属性名字之间创建了一个绑定关系。

      location指定该属性在顶点buffer中的位置，特别是顶点包含多个属性时候(比如位置、法向、纹理坐标等等)，我们必须要让编译器知道，顶点的那个属性和顶点buffer中的那个位置对应起来，通常有2种方法实现这个，一个就像我们在shader中指定的location = 0，在这种情况下，在cpp源代码中我们通过硬编码的方式，指定shader属性，比如glVertexAttributePointer(0)，另外一种情况下，我们可以在shader代码中简单声明in vec3 Position，在应用程序中，通过函数glGetAttribLocation在运行时查找属性位置，这时我们要利用glGetAttribLocation的返回值，而不是硬编码。在本篇教程程序中，我们采用第一种方式，对于复杂的应用，可以采用第二种方式，让编译器决定属性索引，然后在运行时查询它，这样可以方便把多个shader源文件集成在一起，而不必用它们匹配我们自己定义的缓冲layout。

void main()

      我们能够把多个shader对象链接在一起形成最终的shader，但是对每种类型shader(VS,GS,FS)来说,代码中只能有一个main函数，这个函数作为该shader的执行入口点，例如，我们能够创建一个shader库文件，其中包含计算光照的一些函数，然后把它链接到没有main函数的shader中去。

gl_Position = vec4(0.5 * Position.x, 0.5 * Position.y, Position.z, 1.0);

      这儿，我们通过硬编码来改变顶点位置，x和y的值减半，z值保持不变。'gl_Position'是一个内置的特殊变量，用来存储顶点在齐次裁剪空间的坐标。光栅化模块将会查找这个变量的值，用它作为屏幕空间的值(其实不准确，视口变换在PA里面做的，所以vs里面的点并不是对应屏幕空间）。x和y减半意味着渲染出的三角形是上篇教程中三角形的1/4，注意：这儿我们设置w=1.0，这是很重要的，否则的话，渲染结果可能并不正确。

      把物体从三维投影到二维，需要两个阶段：第一个阶段，把所有的顶点乘以投影矩阵，之后GPU在光栅化前会执行透视除法，就是x、y、z分量的值等于各自的值除以w的值，而w的值为1，透视除法是GPU的固定模块完成，通常是在PA里面。本教程中，我们直接设置w=1.0,透视除法后的值和没除前一样。

      如果程序运行正常，将会有三个顶点(-0.5, -0.5), (0.5, -0.5) 和(0.0, 0.5)到达光栅化模块。本程序中clipper不需要做任何事情，因为我们所有的顶点都是在归一化的裁剪空间盒子内,之后，顶点的值被映射到屏幕空间(视口变化操作)，并在光栅化中模块对三角形体元执行光栅化操作，光栅化后的每个片元随后会执行片元shader操作。

下面的shader是片元shader的代码：

out vec4 FragColor;

      片元shader的功能就是输出片元最终的颜色值，在片元shader里面，也可以放弃一些片元(像素),或者改变它们的z值（注意：这将影响硬件early z的功能)。输出颜色最终通过宣布的out变量FragColor来完成，FragColor向量的四个分量分别表示R,G,B,A值，该值最终被写入framebuffer。

FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);

      上篇教程中，没有shader操作，最终屏幕画的是默认的白色，现在我们指定红色，最终将会在屏幕上画一个红色的三角形。

程序执行后效果如下：