【GLSL教程】（三）在OpenGL中向shader傳遞資訊

引言

一個OpenGL程式可以用多種方式和shader通訊。注意這種通訊是單向的，因為shader的輸出只能是渲染到某些目標，比如顏色和深度快取。

OpenGL的部分狀態可以被shader訪問，因此程式改變OpenGL某些狀態就可以與shader進行通訊了。例如一個程式想把光的顏色傳給shader，可以直接呼叫OpenGL介面，就像使用固定功能流水線時做的那樣。

不過，使用OpenGL狀態並不是設定shader中使用資料的直觀方式。比如一個shader需要一個表示時間變化的變數來計算動畫，在OpenGL狀態中就沒有現成的變數可用。當然，你可以使用沒有用到的“鏡面光截止角度（cutoffangle）”這樣一個變數表示時間，但顯然讓人難以接受。

幸運的是，GLSL允許使用者自定義變數，實現OpenGL應用程式與shader通訊。有了這個功能，你就可以命名一個叫做timeElapsed的變數表示經過的時間。

上文的討論涉及到了GLSL提供的兩種型別修飾符（更多的型別將在後面提到）：

·一致變數（Uniform）

·屬性（Attribute）

在shader中定義的變數如果用這兩種型別修飾符，表示對shader來說，它們是隻讀的。下面將詳細講述怎樣使用這些型別的變數。

還有一種將變數送給shader的方法：使用紋理。一個紋理不止可以表示一張圖片，它還可以表示一個陣列。事實上，你完全可以決定如何在shader中解釋紋理資料，即使它真是一幅圖片。

 

資料型別和變數

下面是GLSL中的基本資料型別：

·float

·bool

·int

浮點型別與C中類似，布林型別可以為true或false。這些基本型別可以組成2、3或4維向量，如下所示：

·vec{2,3,4} a vector of 2,3,or 4 floats

·bvec{2,3,4} bool vector

·ivec{2,3,4} vector of integers

GLSL還包括2×2、3×3或4×4型矩陣，因為這些矩陣型別在圖形處理中很常用：

·mat2

·mat3

·mat4

此外，還有一組用來實現紋理訪問的特殊型別，它們被稱為取樣器（sampler），在讀取紋理值（也稱為紋素texel）時用到。下面就是紋理取樣用到的資料型別：

·sampler1D – for 1D textures

·sampler2D – for 2D textures

·sampler3D – for 3D textures

·samplerCube – for cube map textures

·sampler1DShadow – for shadow maps

·sampler2DShadow – for shadow maps

在GLSL中，可以像C一樣宣告和訪問陣列，但是不能在宣告時初始化陣列。GLSL還可以定義結構體：

struct dirlight
{
    vec3 direction;
    vec3 color;
};

變數

宣告一個基本型別變數的方法與C類似，你還可以在宣告它的同時進行初始化。

float a,b;       // two vector (yes, the comments are like in C)
int c = 2;       // c is initialized with 2
bool d = true;  // d is true

宣告其它型別變數也是按照這種方法，但是初始化與C語言有區別。GLSL非常依賴建構函式實現初始化和型別轉換。

float b = 2;          // incorrect, there is no automatic type casting
float e = (float)2; // incorrect, requires constructors for type casting
int a = 2;
float c = float(a); // correct. c is 2.0
vec3 f;                // declaring f as a vec3
vec3 g = vec3(1.0,2.0,3.0); // declaring and initializing g

在GLSL中使用一些變數初始化其它變數是非常靈活的。你只需要給出需要的資料成員即可。請看下面的例子：

vec2 a = vec2(1.0,2.0);
vec2 b = vec2(3.0,4.0);
vec4 c = vec4(a,b)   // c = vec4(1.0,2.0,3.0,4.0);
vec2 g = vec2(1.0,2.0);
float h = 3.0;
vec3 j = vec3(g,h);

矩陣的初始化也是類似方法，矩陣包含很多種建構函式，下面的例子給出了一些初始化矩陣的建構函式：

mat4 m = mat4(1.0)   // initializing the diagonal of the matrix with 1.0
vec2 a = vec2(1.0,2.0);
vec2 b = vec2(3.0,4.0);
mat2 n = mat2(a,b); // matrices are assigned in column major order
mat2 k = mat2(1.0,0.0,1.0,0.0); // all elements are specified

下面的例子給出了初始化結構體的方法：

struct dirlight     // type definition
{
    vec3 direction;
    vec3 color;
};
dirlight d1;
dirlight d2 = dirlight(vec3(1.0,1.0,0.0),vec3(0.8,0.8,0.4));

在GLSL中還有一些實用的選擇子（selector），可以簡化我們的操作並讓程式碼更簡潔。訪問一個向量可以使用如下的方法：

vec4 a = vec4(1.0,2.0,3.0,4.0);
float posX = a.x;
float posY = a[1];
vec2 posXY = a.xy;
float depth = a.w

在上面的程式碼片段中，可以使用x、y、z、w來訪問向量成員。如果是顏色的話可以使用r、g、b、a，如果是紋理座標的話可以使用s、t、p、q。注意表示紋理座標通常是使用s、t、r、q，但r已經表示顏色中的紅色（red）了，所以紋理座標中需要使用p來代替。

矩陣的選擇子可以使用一個或兩個引數，比如m[0]或者m[2][3]。第一種情況選擇了第一列，第二種情況選擇了一個資料成員。

對於結構體來說，可以像在C語言中一樣訪問其成員。所以訪問前面定義的結構體，可以使用如下的程式碼：

d1.direction = vec3(1.0,1.0,1.0);

變數修飾符

修飾符給出了變數的特殊含義，GLSL中有如下修飾符：

·const – 宣告一個編譯期常量。

·attribute– 隨不同頂點變化的全域性變數，由OpenGL應用程式傳給頂點shader。這個修飾符只能用在頂點shader中，在shader中它是一個只讀變數。

·uniform– 隨不同圖元變化的全域性變數（即不能在glBegin/glEnd中設定），由OpenGL應用程式傳給shader。這個修飾符能用在頂點和片斷shader中，在shader中它是一個只讀變數。

·varying –用於頂點shader和片斷shader間傳遞的插值資料，在頂點shader中可寫，在片斷shader中只讀。

一致變數（Uniform Variables）

不同於頂點屬性在每個頂點有其自己的值，一個一致變數在一個圖元的繪製過程中是不會改變的，所以其值不能在glBegin/glEnd中設定。一致變數適合描述在一個圖元中、一幀中甚至一個場景中都不變的值。一致變數在頂點shader和片斷shader中都是隻讀的。

首先你需要獲得變數在記憶體中的位置，這個資訊只有在連線程式之後才可獲得。注意，對某些驅動程式，在獲得儲存位置前還必須使用程式（呼叫glUseProgram）。

獲取一個一致變數的儲存位置只需要給出其在shader中定義的變數名即可：

GLint glGetUniformLocation(GLuint program, const char *name);
引數：
·program – the hanuler to the program
·name – the name of the variable

返回值就是變數位置，可以用此資訊設定變數的值。根據變數的資料型別不同，有一系列函式可以用來設定一致變數。用來設定浮點值的一組函式如下：

void glUniform1f(GLint location, GLfloat v0);
void glUniform2f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1);
void glUniform3f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1, GLfloat v2);
void glUniform4f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1, GLfloat v2, GLfloat v3);
或者
GLint glUniform{1,2,3,4}fv(GLint location, GLsizei count, GLfloat *v);
引數：
·location – the previously queried location
·v0,v1,v2,v3 – float values
·count – the number of elements in the array
·v – an array of floats

對integer型別也有一組類似的函式，不過要用i替換函式中的f。對bool型別沒有專門的函式，但可以使用整數的0和1來表示真假。一旦你使用了一致變數陣列，那麼就必須使用向量版本的函式。

對sampler變數，使用函式glUniform1i和glUniform1iv。

矩陣也是一種GLSL的資料型別，所以也有一組針對矩陣的函式：

GLint glUniformMatrix{2,3,4}fv(GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose, GLfloat *v);
引數：
location – the previously queried location.
count – the number of matrices. 1 if a single matrix is being set, or n for an array of n matrices.
transpose – wheter to transpose the matrix values. A value of 1 indicates that the matrix values are specified in row major order, zero is column major order
v – an array of floats.

還有一點要注意的是：使用這些函式之後，變數的值將保持到程式再次連線之時。一旦進行重新連線，所有變數的值將被重置為0。

最後是一些示例程式碼。假設一個shader中使用瞭如下變數：

uniform float specIntensity;
uniform vec4 specColor;
uniform float t[2];
uniform vec4 colors[3];

在OpenGL程式中可以使用下面的程式碼設定這些變數：

GLint loc1,loc2,loc3,loc4;
float specIntensity = 0.98;
float sc[4] = {0.8,0.8,0.8,1.0};
float threshold[2] = {0.5,0.25};
float colors[12] = {0.4,0.4,0.8,1.0,
                0.2,0.2,0.4,1.0,
                0.1,0.1,0.1,1.0};

loc1 = glGetUniformLocation(p,"specIntensity");
glUniform1f(loc1,specIntensity);

loc2 = glGetUniformLocation(p,"specColor");
glUniform4fv(loc2,1,sc);

loc3 = glGetUniformLocation(p,"t");
glUniform1fv(loc3,2,threshold);

loc4 = glGetUniformLocation(p,"colors");
glUniform4fv(loc4,3,colors);

例子程式碼的下載地址：

http://lighthouse3d.com/wptest/wp-content/uploads/2011/03/glutglsl2_2.0.zip

注意設定一個陣列（例子中的t）與設定四元向量（例子中的colors和specColor）的區別。中間的count引數指在shader中宣告的陣列元素數量，而不是在OpenGL程式中宣告的。所以雖然specColor包含4個值，但glUniform4fv函式中的引數是1，因為它只是一個向量。另一種設定specColor的方法：

loc2 = glGetUniformLocation(p,"specColor");
glUniform4f(loc2,sc[0],sc[1],sc[2],sc[3]);

GLSL中還可以獲取陣列中某個變數的地址。比如，可以獲得t[1]的地址。下面的程式碼片段展示了設定t陣列元素的另一種方法：

loct0 = glGetUniformLocation(p,"t[0]");
glUniform1f(loct0,threshold[0]);

loct1 = glGetUniformLocation(p,"t[1]");
glUniform1f(loct1,threshold[1]);

注意在glGetUniformLocation中使用方括號指示的變數。

屬性變數（Attribute Variables）

在前一節提到，一致變數只能針對一個圖元全體，就是說不能在glBegin和glEnd之間改變。

如果要針對每個頂點設定變數，那就需要屬性變數了。事實上屬性變數可以在任何時刻更新。在頂點shader中屬性變數是隻讀的。因為它包含的是頂點資料，所以在片斷shader中不能直接應用。

與一致變數相似，首先你需要獲得變數在記憶體中的位置，這個資訊只有在連線程式之後才可獲得。注意，對某些驅動程式，在獲得儲存位置前還必須使用程式。

GLint glGetAttribLocation(GLuint program,char *name);
引數：
program – the handle to the program.
name – the name of the variable

上述函式呼叫的返回變數在儲存器中的地址。下面就可以為它指定一個值，類似一致變數，每種資料型別都有對應的函式。

void glVertexAttrib1f(GLint location, GLfloat v0);
void glVertexAttrib2f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1);
void glVertexAttrib3f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1,GLfloat v2);
void glVertexAttrib4f(GLint location, GLfloat v0, GLfloat v1,,GLfloat v2, GLfloat v3);
或者
GLint glVertexAttrib{1,2,3,4}fv(GLint location, GLfloat *v);
引數：
location – the previously queried location.
v0,v1,v2,v3 – float values.
v – an array of floats.

對於integer型別，也有一組類似的函式。與一致變數不同，這裡向量版的函式並不支援對向量陣列的賦值，所以函式引數用向量或是分別指定的效果沒有太大區別，就好像OpenGL中glColor3f和glColor3fv的關係。

下面是一個簡單的例子，假定頂點shader中宣告瞭一個名為height的浮點屬性變數，在程式連線之後可以進行如下操作：

loc = glGetAttribLocation(p,"height");

在執行渲染的程式碼中間可以為shader中的變數賦值：

glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP);
    glVertexAttrib1f(loc,2.0);
    glVertex2f(-1,1);
    glVertexAttrib1f(loc,2.0);
    glVertex2f(1,1);
    glVertexAttrib1f(loc,-2.0);
    glVertex2f(-1,-1);
    glVertexAttrib1f(loc,-2.0);
    glVertex2f(1,-1);
glEnd();

例子程式碼的下載地址：

http://lighthouse3d.com/wptest/wp-content/uploads/2011/03/glutglsl3_2.0.zip、

頂點陣列和屬性變數也可以一起使用。首先需要使能陣列，使用如下函式：

void glEnableVertexAttribArray(GLint loc);
引數：
loc – the location of the variable.

接下來使用函式提交包含資料的陣列指標：

void glVertexAttribPointer(GLint loc, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride, const void *pointer);
引數：
loc – the location of the variable.
size – the number of components per element, for instance: 1 for float; 2 for vec2; 3 for vec3, and so on.
type – The data type associated: GL_FLOAT is an example.
normalized – if set to 1 then the array values will be normalized, converted to a range from -1 to 1 for signed data, or 0 to 1 for unsigned data.
stride – the spacing between elements. Exactly the same as in OpenGL.
pointer – pointer to the array containing the data.

下面是示例程式碼，首先執行初始化，定義了頂點陣列和屬性陣列。

float vertices[8] = {-1,1, 1,1, -1,-1, 1,-1};
float heights[4] = {2,2,-2,-2};
...
loc = glGetAttribLocation(p,"height");

glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glEnableVertexAttribArray(loc);
glVertexPointer(2,GL_FLOAT,0,vertices);
glVertexAttribPointer(loc,1,GL_FLOAT,0,0,heights);

接下來的渲染步驟與OpenGL中的通常做法一致，比如呼叫glDrawArrays。示例原始碼下載地址：

http://lighthouse3d.com/wptest/wp-content/uploads/2011/03/glutglsl4_2.0.zip

易變變數（Varying Variables）

前面說過，shader包括兩種型別：頂點shader和片斷shader。為了計算片斷的值，往往需要訪問頂點的插值資料。例如，當使用逐片斷光照時，我們需要知道當前片斷的法線，但是在OpenGL中只為每個頂點指定了法線。頂點shader可以訪問這些法線，而片斷shader不能，因為法線是OpenGL程式作為屬性變數指定的。

頂點變換後的資料移動到流水線的下一個階段，在這個階段通過使用連線資訊，生成了所有圖元並完成片斷化。對每個片斷，有一組變數會被自動進行插值並提供給片斷shader，這些都是固定功能。片斷的顏色就是這麼處理的，到達片斷shader的顏色就是組成圖元的頂點顏色插值的結果。

像片斷shader接收到的這種插值產生的變數，就是“易變變數”型別。GLSL包含一些預先定義的易變變數，例如前面提到的顏色。使用者也可以自己定義易變變數，它們必須同時在頂點shader和片斷shader中宣告：

varying float intensity;

一個易變變數必須先在頂點shader中宣告，然後計算每個頂點的變數值。在片斷shader中，接收這個變數通過插值得到的結果，注意此時這個變數是隻讀的。

語句和函式

控制流語句

與C語言類似，GLSL中有類似if-else的條件語句，for，while，do-while等迴圈語句。

if (bool expression)
    ...
else
    ...

for (initialization; bool expression; loop expression)
    ...

while (bool expression)
    ...

do
    ...
while (bool expression)

GLSL也有跳轉語句：

·continue – available in loops, causes a jump to thenext iteration of the loop

·break – available in loops, causes an exit of theloop

·discard

最後的discard關鍵字只能在片斷shader中使用，它將在不寫入幀快取或者深度快取的情況下，終止當前片斷的shader程式。

 函式

與C語言類似，shader也是由函式組成的結構化程式。至少每類shader都必須包含一個如下方式宣告的主函式：

void main()

此外使用者還可以自定義函式。這些函式像C函式一樣，一般都會有返回值，返回值的型別沒有限制，但不能是陣列。

函式引數可以有如下修飾符：

·in – for input parameters

·out – for outputs of the function. The returnstatement is also an option for sending the result of a function.

·inout – for parameters that are both input andoutput of a function

如果沒有指定修飾符，預設情況下為in型別。

最後還有兩點要注意：

·允許函式過載，只要引數不同。

·在標準中沒有定義遞迴行為。

結束本節之前來看一個函式的例子：