Shader and Program編程基本概念 - 轉

原地址:http://blog.csdn.net/myarrow/article/details/7737313

一、本文關注的問題：

• Shader and program 對象介紹
• 創建並編譯一個Shader對象
• 創建並鏈接一個Program對象
• 獲取並設置uniforms
• 獲取並設置attributes

在OpenGL ES中，每個program對象有且僅有一個Vertex Shader對象和一個Fragment Shader對象連接到它。

Shader：類似於C編譯器

Program：類似於C鏈接器

glLinkProgram操作產生最後的可執行程序，它包含最後可以在硬件上執行的硬件指令。

二、Shader和Program編程概述

1. 創建Shader
1）編寫Vertex Shader和Fragment Shader源碼。

2）創建兩個shader 實例：GLuint glCreateShader(GLenum type);

3）給Shader實例指定源碼。 glShaderSource

4）在線編譯shaer源碼 void glCompileShader(GLuint shader)

2. 創建Program

1）創建program GLuint glCreateProgram(void)

2）綁定shader到program 。 void glAttachShader(GLuint program, GLuint shader)。每個program必須綁定一個Vertex Shader 和一個Fragment Shader。

3）鏈接program 。 void glLinkProgram(GLuint program)

4）使用porgram 。 void glUseProgram(GLuint program)

對於使用獨立shader編譯器編譯的二進制shader代碼，可使用glShaderBinary來加載到一個shader實例中。

三、 Shading Language中的數據類型與變量
1. Uniforms and Attributes

Uniforms 是一個program 中統一分配的，vertext 和fragment中同名的Uniform必須同類型。對應於不經常變化的變量（用於存儲只讀常量值的變量）。

Attributes 變化率高的變量。主要用來定義輸入的每個點屬性。

Uniforms and Attributes 在shader中通過location 和 name 來對應的。

2. 數據類型

1）三類基本數據類型：float , int , boolean

2）複合類型：浮點、整型、布爾向量 vec2 , vec3,vec4。vector訪問方式有以下兩種：

（1）.操作：數學{x, y, z, w}, 顏色{r, g, b, a}或紋理座標{s, t, r, q}，但不能混用，舉例如下：

        vec3 myVec3 = vec3(0.0, 1.0, 2.0); // myVec3 = {0.0, 1.0, 2.0}
        vec3 temp;
        temp = myVec3.xyz; // temp = {0.0, 1.0, 2.0}
        temp = myVec3.xxx; // temp = {0.0, 0.0, 0.0}
        temp = myVec3.zyx; // temp = {2.0, 1.0, 0.0}

（2）[ ]操作：[0]對應x，[1]對應y，[2]對應z，[3]對應w。[ ]中只能爲常量或uniform變量，不能爲整數量變量（如：i，j，k）。

3）矩陣：mat2, mat3,mat4 （按列順序存儲）

      mat3 myMat3 = mat3(1.0, 0.0, 0.0, // 第一列
                                  0.0, 1.0, 0.0, // 第二列
                                  0.5, 1.0, 1.0); // 第三列

可用[ ]或.操作符來訪問：

     mat4 myMat4 = mat4(1.0);   // Initialize diagonal to 1.0 (identity)
     vec4 col0 = myMat4[0];        // Get col0 vector out of the matrix
     float m1_1 = myMat4[1][1];  // Get element at [1][1] in matrix
     float m2_2 = myMat4[2].z;   // Get element at [2][2] in matrix

4）常量

     const float zero = 0.0;
     const float pi = 3.14159;
     const vec4 red = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
     const mat4 identity = mat4(1.0);

5）結構體：用基本類型和複合類型構建結構體。

     struct fogStruct
     {
         vec4 color;
         float start;
         float end;
     } fogVar;
     fogVar = fogStruct(vec4(0.0, 1.0, 0.0, 0.0), // color
                                  0.5, // start
                                  2.0); // end
     vec4 color = fogVar.color;
     float start = fogVar.start;
     float end   = fogVar.end;

6）數組：類似於C語言，索引從0開始。在創建時不能被初始化，索引只能爲常量或uniform變量。

float floatArray[4];
vec4 vecArray[2];

7）操作

支持的操作有：*,/,+,-,++,--,=,+=, -=, *=, /=,==, !=, <, >, <=, >=,&&,^^,||

[cpp]view
plaincopy 

float myFloat;  

vec4 myVec4;  

mat4 myMat4;  

myVec4 = myVec4 * myFloat; // Multiplies each component of myVec4  

                           // by a scalar myFloat  

myVec4 = myVec4 * myVec4;  // Multiplies each component of myVec4  

                           // together (e.g., myVec4 ^ 2 )  

myVec4 = myMat4 * myVec4;  // Does a matrix * vector multiply of  

                           // myMat4 * myVec4  

myMat4 = myMat4 * myMat4;  // Does a matrix * matrix multiply of  

                           // myMat4 * myMat4  

myMat4 = myMat4 * myFloat; // Multiplies each matrix component by  

                           // the scalar myFloat

前面矩陣的行數就是結果矩陣的行數，後面矩陣的列數就是結果矩陣的列數。

8）自定義函數：

[cpp]view
plaincopy 

vec4 myFunc(inout float myFloat,  // inout parameter  

            out vec4 myVec4,      // out parameter  

            mat4 myMat4);         // in parameter (default)  

函數不能遞歸調用，因爲GPU不一定有Stack和流控。

9）Shading Language內嵌函數

主要有以下幾類函數：

（1）角度和三角函數

（2）指數函數

（3）通用函數（絕對值、取整、取餘、取小數部分等）

（4）幾何函數

（5）矩陣函數

（6）向量比較函數

（7）紋理查找函數

（8）Derivative函數

10）控制流

[cpp]view
plaincopy 

if(color.a < 0.25)  

{  

   color *= color.a;  

}  

else  

{  

   color = vec4(0.0);  

}  

//For循環。只支持常數循環次數。  

 //無論下標，還是循環變量，都只能使用編譯時可確定的常數。  

 for(int i = 0; i < 3; i++)  

{  

   sum += i;  

}

以下不允許（因爲下標爲變量或loop次數爲變量）：

[cpp]view
plaincopy 

float myArr[4];  

for(int i = 0; i < 3; i++)  

{  

    sum += myArr[i]; // NOT ALLOWED IN OPENGL ES, CANNOT DO  

                     // INDEXING WITH NONCONSTANT EXPRESSION  

}  

...  

uniform int loopIter;  

// NOT ALLOWED IN OPENGL ES, loopIter ITERATION COUNT IS NONCONSTANT  

for(int i = 0; i < loopIter; i++)  

{  

    sum += i;  

}

11）Uniforms（前輟修改）
Uniform前輟修飾的變量初始值由外部程序賦值。在program中具有統一訪問空間，存儲空間有限。在Shader中是隻讀的，只能由外部主機程序傳入值。

它用於存儲shader需要的各種數據，如：變換矩陣、光照參數和顏色。基本上，對於Shader是一個常量，但在編譯時其值未知，則應當作爲一個uniform變量。

Uniform變量在Vertex Shader和Fragment Shader之間共享。當使用glUniform***設置了一個uniform變量的值之後，Vertex Shader和Fragment Shader中具有相同的值。

Uniform變量被存儲在GPU中的“常量存儲區”，其空間大小是固定的，可通過API<glGetIntegerv>查詢（GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_VECTORS 或 GL_MAX_FRAGMENT_UNIFORM_VECTORS ）。

12）Attributes（前輟修改）

Attribute類型的變量只有Vertex Shader纔有。Attribute前輟修飾的變量定義的是每個Vertex的屬性變量，包括位置，顏色，法線和紋理座標

Attribute 類型的變量在Vertex Shader中是隻讀的，只能由外部主機程序傳入值。

Attribute 類型的變量：是爲每個被正在畫的頂點所指定的數據。在畫圖前，每個頂點的屬性由應用程序輸入。

與Uniform變量一樣，其存儲數量也是有限制的。可用glGetIntegerv（GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS）進行查詢。GPU至少支持8個屬性，所以Vertex Shader源碼中不要超過8個attributes。

13）Varyings

Varying變量用於存儲Vertex Shader的輸出和Fragment Shader的輸入。在Vertex Shader和Fragment Shader中必須申明同一個Varying變量。

與Uniform和Attribute一樣，其存儲數量也是有限制的，可用glGetIntegerv（GL_MAX_VARYING_VECTORS）進行查詢。GPU至少支持8個Varying vector，所以Vertex Shader源碼中不要超過8個Varying vector。

GLint maxVertexAttribs; // n will be >= 8
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &maxVertexAttribs);

14）預處理

[cpp]view
plaincopy 

#define  

#undef  

#if  

#ifdef  

#ifndef  

#else  

#elif  

#endif  

__LINE__ // Replaced with the current line number in a shader  

__FILE__ // Always 0 in OpenGL ES 2.0  

__VERSION__ // The OpenGL ES shading language version (e.g., 100)  

GL_ES // This will be defined for ES shaders to a value of 1

15) Uniform Attribute Varying存儲空間最小值

變量類型	GPU必須支持的最小個數
Vertex Uniform Vectors	128
Fragment Uniform Vectors	16
Vertex Attributes	8
Varying Vectors	8

16) 精度限定(Precision Qualifiers)

關鍵詞：lowp highp mediump

（1）指定變量精度（放在數據類型之前）：

[cpp]view
plaincopy 

highp vec4 position;  

varying lowp vec4 color;  

mediump float specularExp;  

（2）指定默認精度（放在Vertex和Fragment shader源碼的開始處）：

[cpp]view
plaincopy 

precision highp float;  

precision mediump int;  

在Vertex Shader中，如果沒有默認的精度，則float和int精度都爲highp；在Fragment Shader中，float沒有默認的精度，所以必須在Fragment Shader中爲float指定一個默認精度或爲每個float變量指定精度。

17）結果一致性

invariant可被應用於任何Vertex Shader Varying輸出變量，其目前是保證相同的操作和相同的輸入，其結果一樣。因爲由於Shader精度不一樣，其結果有可能不一樣。

[cpp]view
plaincopy 

uniform mat4 u_viewProjMatrix;  

attribute vec4 a_vertex;  

invariant gl_Position;  

void main  

{  

    // …  

    gl_Position = u_viewProjMatrix * a_vertex; // Will be the same  

                                              // value in all  

                                              // shaders with the  

                                              // same viewProjMatrix  

                                              // and vertex  

}

也可指定所有的輸出變量都爲:invariant

[cpp]view
plaincopy 

#pragma STDGL invariant(all)  

四、獲取和設置Uniforms

通過GLint glGetUniformLocation(GLuint program,const char* name).根據一個Uniform的名稱獲取其location.

通過 glUniform***系列函數可以給一個location 設置一個Uniform的值。

[cpp]view
plaincopy 

void glUniform1f(GLint location, GLfloat x)  

void glUniform1fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v)  

void glUniform1i(GLint location, GLint x)  

void glUniform1iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v)  

void glUniform2f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y)  

void glUniform2fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v)  

void glUniform2i(GLint location, GLint x, GLint y)  

void glUniform2iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v)  

void glUniform3f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y,GLfloat z)  

void glUniform3fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v)  

void glUniform3i(GLint location, GLint x, GLint y,GLint z)  

void glUniform3iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v)  

void glUniform4f(GLint location, GLfloat x, GLfloat y,GLfloat z, GLfloat w);  

void glUniform4fv(GLint location, GLsizei count,const GLfloat* v)  

void glUniform4i(GLint location, GLint x, GLint y,GLint z, GLint w)  

void glUniform4iv(GLint location, GLsizei count,const GLint* v)  

void glUniformMatrix2fv(GLint location, GLsizei count,  

                        GLboolean transpose,const GLfloat* value)  

void glUniformMatrix3fv(GLint location, GLsizei count,  

                        GLboolean transpose,const GLfloat* value)  

void glUniformMatrix4fv(GLint location, GLsizei count,  

                       GLboolean transpose,const GLfloat* value)

爲矩陣uniform變量設置值的函數中的transpose必須爲GL_FALSE，它目的爲兼容性，但在 OpenGL ES 2.0中並沒有工作。

一旦你設置了一個Program中unifrom變量的值之後，即使你激活了另外一個Program,此uniform的值不變。即uniform變量是Program的局部變量。

五、Vertex Attributes

Vertex屬性即頂點數據，它指定了每個頂點的數據。在OpenGL ES1.1中，頂點屬性有四個預定義的名字：position（位置）, normal（法線）, color（顏色）, 和 texture coordinates（紋理座標）。在OpenGL ES2.0中，用戶必須定義“頂點屬性的名字”。

1. 常量頂點屬性（Constant Vertex Attribute）

常量頂點屬性對所有頂點都是一樣的。因此只需要指定一個值就可以應用於所有頂點。一般很少使用。其設置函數有：

[cpp]view
plaincopy 

void glVertexAttrib1f(GLuint index, GLfloat x);  

void glVertexAttrib2f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y);  

void glVertexAttrib3f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z);  

void glVertexAttrib4f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z,GLfloat w);  

void glVertexAttrib1fv(GLuint index, const GLfloat *values);  

void glVertexAttrib2fv(GLuint index, const GLfloat *values);  

void glVertexAttrib3fv(GLuint index, const GLfloat *values);  

void glVertexAttrib4fv(GLuint index, const GLfloat *values);

2. 如何裝載頂點數據？（Vertex Arrays）

Vertex Array（頂點數組）：是一個存儲在應用程序空間（Client）中的內存buffer，它存儲了每個頂點的屬性數據。

如何把頂點數據組的數據傳遞給GPU呢？

void glVertexAttribPointer(GLuint index,

                                                GLint size,     //每個屬性元素個數有效值1-4（x,y,z,w）
                                                GLenum type, //數組中每個元素的數據類型
                                                GLboolean normalized,
                                                GLsizei stride, //如果數據連續存放，則爲0或

//size*sizeof(type)
const void *ptr) //頂點數組指針

舉例如下：

[cpp]view
plaincopy 

GLfloat vVertices[] = {  0.0f,  0.5f, 0.0f,   

                        -0.5f, -0.5f, 0.0f,  

                         0.5f, -0.5f, 0.0f };  

// Set the viewport  

glViewport ( 0, 0, esContext->width, esContext->height );  

// Clear the color buffer  

glClear ( GL_COLOR_BUFFER_BIT );  

// Use the program object  

glUseProgram (programObject );  

// Load the vertex data  

glVertexAttribPointer ( 0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, vVertices );

2.1 一個頂點的所有屬性存儲在一起（Array of Structures）

如下圖所示，頂點的位置(x,y,z)、法線(x,y,z)和兩個紋理座標(s,t)存儲在一起，如下圖所示：

2.2 頂點的每個屬性單獨存儲（Structure of Arrays）

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