这篇文章讲述了Shader是如何编译和链接,最终在OpenGL程序中使用的。当然,不了解这些我们仍然可以正常工作,但是作为初学者,了解这些会让我更能明白自己在干嘛。。。

综述

哈,大名鼎鼎的Shader终于让我给见到了……之前在学习Unity3D的时候就被群里的大牛耳濡目染说Shader如何如何重要,现在终于轮到自己领教了。吐槽完毕,进入正题。

Shader的编译器被内嵌到OpenGL库的内部,而且必须在运行OpenGL程序时才能编译。目前还没有可以提前编译Shader的工具。在最新的OpenGL4.1中好像正在改善。

目前的学习中,我使用的是这个教程提 供的一个载入shader的代码。代码不长,功能不全,只能同时载入vertex shader和fragment shader(这里是保存在两个单独的文件里,后缀分别的vertexshader和fragmentshader,后缀不重要,即便是txt也可以,重 要的是内容使用的是GLSL语法),但是对于初学者够用了。(实际上,我们通常需要至少两个shader。)代码如下:

  1. GLuint LoadShaders(const char * vertex_file_path,const char * fragment_file_path){  
  2.   
  3.     // Create the shaders  
  4.     GLuint VertexShaderID = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);  
  5.     GLuint FragmentShaderID = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);  
  6.   
  7.     // Read the Vertex Shader code from the file  
  8.     std::string VertexShaderCode;  
  9.     std::ifstream VertexShaderStream(vertex_file_path, std::ios::in);  
  10.     if(VertexShaderStream.is_open())  
  11.     {  
  12.         std::string Line = "";  
  13.         while(getline(VertexShaderStream, Line))  
  14.             VertexShaderCode += "n" + Line;  
  15.         VertexShaderStream.close();  
  16.     }  
  17.   
  18.     // Read the Fragment Shader code from the file  
  19.     std::string FragmentShaderCode;  
  20.     std::ifstream FragmentShaderStream(fragment_file_path, std::ios::in);  
  21.     if(FragmentShaderStream.is_open()){  
  22.         std::string Line = "";  
  23.         while(getline(FragmentShaderStream, Line))  
  24.             FragmentShaderCode += "n" + Line;  
  25.         FragmentShaderStream.close();  
  26.     }  
  27.   
  28.     GLint Result = GL_FALSE;  
  29.     int InfoLogLength;  
  30.   
  31.     // Compile Vertex Shader  
  32.     printf("Compiling shader : %sn", vertex_file_path);  
  33.     char const * VertexSourcePointer = VertexShaderCode.c_str();  
  34.     glShaderSource(VertexShaderID, 1, &VertexSourcePointer , NULL);  
  35.     glCompileShader(VertexShaderID);  
  36.   
  37.     // Check Vertex Shader  
  38.     glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_COMPILE_STATUS, &Result);  
  39.     glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);  
  40.     std::vector VertexShaderErrorMessage(InfoLogLength);  
  41.     glGetShaderInfoLog(VertexShaderID, InfoLogLength, NULL, &VertexShaderErrorMessage[0]);  
  42.     fprintf(stdout, "%sn", &VertexShaderErrorMessage[0]);  
  43.   
  44.     // Compile Fragment Shader  
  45.     printf("Compiling shader : %sn", fragment_file_path);  
  46.     char const * FragmentSourcePointer = FragmentShaderCode.c_str();  
  47.     glShaderSource(FragmentShaderID, 1, &FragmentSourcePointer , NULL);  
  48.     glCompileShader(FragmentShaderID);  
  49.   
  50.     // Check Fragment Shader  
  51.     glGetShaderiv(FragmentShaderID, GL_COMPILE_STATUS, &Result);  
  52.     glGetShaderiv(FragmentShaderID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);  
  53.     std::vector FragmentShaderErrorMessage(InfoLogLength);  
  54.     glGetShaderInfoLog(FragmentShaderID, InfoLogLength, NULL, &FragmentShaderErrorMessage[0]);  
  55.     fprintf(stdout, "%sn", &FragmentShaderErrorMessage[0]);  
  56.   
  57.     // Link the program  
  58.     fprintf(stdout, "Linking programn");  
  59.     GLuint ProgramID = glCreateProgram();  
  60.     glAttachShader(ProgramID, VertexShaderID);  
  61.     glAttachShader(ProgramID, FragmentShaderID);  
  62.     glLinkProgram(ProgramID);  
  63.   
  64.     // Check the program  
  65.     glGetProgramiv(ProgramID, GL_LINK_STATUS, &Result);  
  66.     glGetProgramiv(ProgramID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);  
  67.     std::vector ProgramErrorMessage( max(InfoLogLength, int(1)) );  
  68.     glGetProgramInfoLog(ProgramID, InfoLogLength, NULL, &ProgramErrorMessage[0]);  
  69.     fprintf(stdout, "%sn", &ProgramErrorMessage[0]);  
  70.   
  71.     glDeleteShader(VertexShaderID);  
  72.     glDeleteShader(FragmentShaderID);  
  73.   
  74.     return ProgramID;  
  75. }  

为了举例,我们以下都使用下面两个shader。

第一个shader是一个顶点着色器,vertex shader,文件名为ExampleShader.vertexshader。

  1. #version 400  
  2. in vec3 VertexPosition;  
  3. in vec3 VertexColor;  
  4. out vec3 Color;  
  5. void main()  
  6.     Color = VertexColor;  
  7.     gl_Position = vec4( VertexPosition, 1.0 );  
  8. }  

这里简单解释一下。它接受两个输入和一个输出,并使用输入VertexPosition给gl_position赋值,使用VertexColor给输出Color赋值,而Color将会传递给下面的片段着色器。


第二个是片段着色器,fragment shader,文件名为ExampleShader.fragmentshader。
  1. #version 400  
  2. in vec3 Color;  
  3. out vec4 FragColor;  
  4. void main() {  
  5.    FragColor = vec4(Color, 1.0);  
  6. }  

顶点着色器会在每个顶点上调用一次,而片段着色器则会在每个像素上调用一次。

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编译一个Shader



如上图所示,一个shader的编译过程主要分为3个部分:首先创建一个shader对象(Shader Object)。例如下面分别创建了两个shader对象:
  1. // Create the shaders  
  2. GLuint VertexShaderID = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);  
  3. GLuint FragmentShaderID = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);  

然后将shader源代码(source code)复制到shader对象中。由于这里是从文件里读入代码,因此先将源代码分别读入到一个string类型的变量里 (VertexShaderCode和FragmentShaderCode),再把指针传递给shader对象:
  1. // Read the Vertex Shader code from the file  
  2. std::string VertexShaderCode;  
  3. std::ifstream VertexShaderStream(vertex_file_path, std::ios::in);  
  4. if(VertexShaderStream.is_open())  
  5. {  
  6.     std::string Line = "";  
  7.     while(getline(VertexShaderStream, Line))  
  8.         VertexShaderCode += "n" + Line;  
  9.     VertexShaderStream.close();  
  10. }  

  1. char const * VertexSourcePointer = VertexShaderCode.c_str();  
  2. glShaderSource(VertexShaderID, 1, &VertexSourcePointer , NULL);  

最后,编译shader。通常我们需要检查一下shader是否编译成功,不成功的话再打出错误信息,这通过两个变量Result和InfoLogLength来实现:
  1. GLint Result = GL_FALSE;  
  2. int InfoLogLength;  

  1. glCompileShader(VertexShaderID);  
  2.   
  3. // Check Vertex Shader  
  4. glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_COMPILE_STATUS, &Result);  
  5. glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);  
  6. std::vector VertexShaderErrorMessage(InfoLogLength);  
  7. glGetShaderInfoLog(VertexShaderID, InfoLogLength, NULL, &VertexShaderErrorMessage[0]);  
  8. fprintf(stdout, "%sn", &VertexShaderErrorMessage[0]);  

上面的筛选的vertex shader的编译过程,当然fragment shader的编译是一样的。

链接一个Shader

在我们编译完成shader后,正式在OpenGL管道中使用它们之前,我们还需要链接它们。这主要是为了解决不同shader之间的输入和输 出匹配问题。例如这里,ExampleShader.vertexshader里的输出Color需要和 ExampleShader.fragmentshader里的输入Color相匹配。

和编译shader类似,我们首先需要创建一个shader program object。
  1. GLuint ProgramID = glCreateProgram();  
然后将之前创建好的shader object附加给它。
  1. glAttachShader(ProgramID, VertexShaderID);  
  2. glAttachShader(ProgramID, FragmentShaderID);  

最后,进行链接。
  1. glLinkProgram(ProgramID);  

和之前需要检查编译状态类似,我们也需要检查链接状态,如果链接不成功,就打出提示信息。
  1. // Check the program  
  2. glGetProgramiv(ProgramID, GL_LINK_STATUS, &Result);  
  3. glGetProgramiv(ProgramID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);  
  4. std::vector ProgramErrorMessage( max(InfoLogLength, int(1)) );  
  5. glGetProgramInfoLog(ProgramID, InfoLogLength, NULL, &ProgramErrorMessage[0]);  
  6. fprintf(stdout, "%sn", &ProgramErrorMessage[0]);  

删除一个Shader

在我们把一个shader对象附加一个program对象后,我们就可以删除它了,以便释放它占用的资源和句柄。注意,如果一个shader已 经被附加到一个program对象(比如现在),那么实际上它并没有立刻被删除,而是出于一种挂起状态。当它从附加的program对象上被卸载时,才会 真正从内存中删除。
  1. glDeleteShader(VertexShaderID);  
  2. glDeleteShader(FragmentShaderID);  

指定使用一个Shader Program

为了在OpenGL管道里真正使用我们创建好的shader program对象,我们需要使用glUseProgram( ProgramID);函数,ProgramID就是上面函数的返回值,它提供了一个Shadr program对象的句柄。在一个OpenGL程序中,我们可以使用多个shader programs,我们可以通过使用glUseProgram在OpenGL管道里进行切入和切除,以便选择不同的程序。

删除一个Shader Program

当我们不再需要一个shader program时,可以通过调用glDeleteProgram(ProgramID)来删除一个shader program,以释放OpenGL内存。注意,如果当前的shader program正在被使用,那么它并不会立刻被删除,而是出于一种挂起状态,直到程序不再使用它(可能切换到另一个Shader Program)。这时,之前附加的shader对象就会真正被删除了(如果之前调用过glDeleteShader的话)。