OpengGL ES基礎入門三 着色器的介紹

着色器(Shader)是運行在GPU上的小程序。這些小程序爲圖形渲染管線的某個特定部分而運行。從基本意義上來說，着色器只是一種把輸入轉化爲輸出的程序。着色器也是一種非常獨立的程序，因爲它們之間不能相互通信；它們之間唯一的溝通只有通過輸入和輸出。

前面的教程裏我們簡要地觸及了一點着色器的皮毛，並瞭解瞭如何恰當地使用它們。現在我們會用一種更加廣泛的形式詳細解釋着色器，特別是OpenGL着色器語言(GLSL)。

GLSL

着色器是使用一種叫GLSL的類C語言寫成的。GLSL是爲圖形計算量身定製的，它包含一些針對向量和矩陣操作的有用特性。

着色器的開頭總是要聲明版本，接着是輸入和輸出變量、uniform和main函數。每個着色器的入口點都是main函數，在這個函數中我們處理所有的輸入變量，並將結果輸出到輸出變量中。如果你不知道什麼是uniform也不用擔心，我們後面會進行講解。

一個典型的着色器有下面的結構：

#version version_number

in type in_variable_name;
in type in_variable_name;

out type out_variable_name;

uniform type uniform_name;

int main()
{
  // 處理輸入並進行一些圖形操作
  ...
  // 輸出處理過的結果到輸出變量
  out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}

當我們特別談論到頂點着色器的時候，每個輸入變量也叫頂點屬性(Vertex Attribute)。我們能聲明的頂點屬性是有上限的，它一般由硬件來決定。OpenGL確保至少有16個包含4分量的頂點屬性可用，但是有些硬件或許允許更多的頂點屬性，你可以查詢GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS來獲取具體的上限：

GLint nrAttributes;
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &nrAttributes);
std::cout << "Maximum nr of vertex attributes supported: " << nrAttributes << std::endl;

通常情況下它至少會返回16個，大部分情況下是夠用了。

數據類型

和其他編程語言一樣，GLSL有數據類型可以來指定變量的種類。GLSL中包含C等其它語言大部分的默認基礎數據類型：int、float、double、uint和bool。GLSL也有兩種容器類型，它們會在這個教程中使用很多，分別是向量(Vector)和矩陣(Matrix)，其中矩陣我們會在之後的教程裏再討論。

向量

GLSL中的向量是一個可以包含有1、2、3或者4個分量的容器，分量的類型可以是前面默認基礎類型的任意一個。它們可以是下面的形式（n代表分量的數量）：

類型    含義
vecn     包含n個float分量的默認向量
bvecn   包含n個bool分量的向量
ivecn   包含n個int分量的向量
uvecn   包含n個unsigned int分量的向量
dvecn   包含n個double分量的向量

大多數時候我們使用vecn，因爲float足夠滿足大多數要求了。

一個向量的分量可以通過vec.x這種方式獲取，這裏x是指這個向量的第一個分量。你可以分別使用.x、.y、.z和.w來獲取它們的第1、2、3、4個分量。GLSL也允許你對顏色使用rgba，或是對紋理座標使用stpq訪問相同的分量。

向量這一數據類型也允許一些有趣而靈活的分量選擇方式，叫做重組(Swizzling)。重組允許這樣的語法：

vec2 someVec;
vec4 differentVec = someVec.xyxx;
vec3 anotherVec = differentVec.zyw;
vec4 otherVec = someVec.xxxx + anotherVec.yxzy;

你可以使用上面4個字母任意組合來創建一個和原來向量一樣長的（同類型）新向量，只要原來向量有那些分量即可；然而，你不允許在一個vec2向量中去獲取.z元素。我們也可以把一個向量作爲一個參數傳給不同的向量構造函數，以減少需求參數的數量：

vec2 vect = vec2(0.5f, 0.7f);
vec4 result = vec4(vect, 0.0f, 0.0f);
vec4 otherResult = vec4(result.xyz, 1.0f);

關於OpenGLES渲染管線，請參考博客 [OpenGL ES 02]OpenGL ES渲染管線與着色器。着色器是可編程管線中的術語，其語法類似C語言，分爲頂點着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）

頂點着色器

Vertex shader – 在你的場景中，每個頂點都需要調用的程序，稱爲“頂點着色器”。假如你在渲染一個簡單的場景：一個長方形，每個角只有一個頂點。於是vertex shader 會被調用四次。它負責執行：諸如燈光、幾何變換等等的計算。得出最終的頂點位置後，爲下面的片段着色器提供必須的數據。

vertex shader可通過可編程的方式實現對頂點的操作，如座標空間轉換，顏色及紋理座標。最簡單的Vertex shader如下

attribute vec4 Position;

void main(Void) {
    gl_Position = Position; // must set gl_Position for vertex shader
}

1、attribute聲明vertex shader接收的變量，針對每一個頂點的數據。屬性可理解爲針對每一個頂點的輸入數據，只有在vertex shader中才有，在fragment shader中沒有。vec4表示由4部分組成的矢量。這裏的Position用來傳入頂點vertex的位置數據。
2、main是shader腳本的入口。
3、gl_Position是vertex shader內建的輸出變量，傳遞給fragment shader，必須設置。這裏將Position直接傳遞給fragment shader。

片元着色器

Fragment shader – 在你的場景中，大概每個像素都會調用的程序，稱爲“片段着色器”。在一個簡單的場景，也是剛剛說到的長方形。這個長方形所覆蓋到的每一個像素，都會調用一次fragment shader。片段着色器的責任是計算燈光，以及更重要的是計算出每個像素的最終顏色

Fragment是可以被渲染到屏幕上的像素點，fragment shader即用於計算每個像素的顏色等屬性。最簡單的Fragment shader如下

precision mediump float;

void main(void) {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // must set gl_FragColor for fragment shader
}

1、precision mediump float設置float的精度爲mediump，還可設置爲lowp和highp，主要是出於性能考慮。
2、gl_FragColor是fragment shader唯一的內建輸出變量，設置像素的顏色。這裏設置所有像素均爲紅色。

Vertex shader接收多個參數

上邊的vertex shader僅接收頂點的位置信息，因此像素顏色都是在fragment shader中寫固定的（紅色）。而在下邊的vertex shader中，通過SourceColor傳遞像素顏色。

attribute vec4 Position;    // position of vertex
attribute vec4 SourceColor; // color of vertex

varying vec4 DestinationColor; // will pass out to fragment shader

void main(void) {
    DestinationColor = SourceColor;
    gl_Position = Position;
}

1、未聲明爲attribute的變量即爲輸出變量（如DestinationColor），將傳遞給fragment shader。
2、varying表示依據兩個頂點的顏色，平滑地計算出頂點之間每個像素的顏色。

對應的fragment shader爲：

varying lowp vec4 DestinationColor;

void main(void) {
    gl_FragColor = DestinationColor;
}

這裏，fragment shader接收來自vertex shader的變量DestinationColor，賦值給gl_FragColor，再輸出至OpenGLES。即每個像素的顏色由DestinationColor決定，這樣可在代碼中精確控制每個像素的顏色。

Vertex shader與Fragment shader的差異

1、shader腳本中有三種級別的精度：lowp，mediump，highp。如precision highp float; 。在vertex shader中，int和float都默認爲highp級別。而fragment shader中沒有默認精度，必須設置精度描述符，一般設爲mediump即可。
2、attribute只作用於vertex shader中，表示接收的變量。在vertex shader中，若沒有attribute則爲輸出變量（輸出至fragment shader）。
3、vertex shader的默認輸出變量至少應該有gl_Position，另外有兩個可選的gl_FrontFacing和gl_PointSize。而fragment shader只有唯一的varying輸出變量gl_FragColor。
4、Uniform是全局變量，可用於vertex shader和fragment shader。在vertex shader中通常是變換矩陣、光照參數、顏色等，。在fragment shader中通常是霧化參數、紋理參數等。OpenGLES 2.0規定所有實現應該支持的最大vertex shader的uniform變量個數不能少於128個，而最大fragment shader的uniform變量個數不能少於16個。
5、simpler是一種特殊的uniform，用於呈現紋理，可用於vertex shader和fragment shader.

本文主要參考：http://learnopengl-cn.readthedocs.io/zh/latest/
http://blog.csdn.net/icetime17/article/details/50436927