GLSL 在OpenGL中向shader传递信息

引言

一个OpenGL程序可以用多种方式和shader通信。注意这种通信是单向的，因为shader的输出只能是渲染到某些目标，比如颜色和深度缓存。

OpenGL的部分状态可以被shader访问，因此程序改变OpenGL某些状态就可以与shader进行通信了。例如一个程序想把光的颜色传给shader，可以直接调用OpenGL接口，就像使用固定功能流水线时做的那样。

不过，使用OpenGL状态并不是设置shader中使用数据的直观方式。比如一个shader需要一个表示时间变化的变量来计算动画，在OpenGL状态中就没有现成的变量可用。当然，你可以使用没有用到的“镜面光截止角度（cutoffangle）”这样一个变量表示时间，但显然让人难以接受。

幸运的是，GLSL允许用户自定义变量，实现OpenGL应用程序与shader通信。有了这个功能，你就可以命名一个叫做timeElapsed的变量表示经过的时间。

上文的讨论涉及到了GLSL提供的两种类型修饰符（更多的类型将在后面提到）：

·一致变量（Uniform）

·属性（Attribute）

在shader中定义的变量如果用这两种类型修饰符，表示对shader来说，它们是只读的。下面将详细讲述怎样使用这些类型的变量。

还有一种将变量送给shader的方法：使用纹理。一个纹理不止可以表示一张图片，它还可以表示一个数组。事实上，你完全可以决定如何在shader中解释纹理数据，即使它真是一幅图片。

数据类型和变量

下面是GLSL中的基本数据类型：

·float

·bool

·int

浮点类型与C中类似，布尔类型可以为true或false。这些基本类型可以组成2、3或4维向量，如下所示：

·vec{2,3,4}avectorof2,3,or4floats

·bvec{2,3,4}boolvector

·ivec{2,3,4}vectorofintegers

GLSL还包括2×2、3×3或4×4型矩阵，因为这些矩阵类型在图形处理中很常用：

·mat2

·mat3

·mat4

此外，还有一组用来实现纹理访问的特殊类型，它们被称为采样器（sampler），在读取纹理值（也称为纹素texel）时用到。下面就是纹理采样用到的数据类型：

·sampler1D–for1Dtextures

·sampler2D–for2Dtextures

·sampler3D–for3Dtextures

·samplerCube–forcubemaptextures

·sampler1DShadow–forshadowmaps

·sampler2DShadow–forshadowmaps

在GLSL中，可以像C一样声明和访问数组，但是不能在声明时初始化数组。GLSL还可以定义结构体：

structdirlight

{

vec3direction;

vec3color;

};

变量声明一个基本类型变量的方法与C类似，你还可以在声明它的同时进行初始化。

floata,b;//twovector(yes,thecommentsarelikeinC)

intc=2;//cisinitializedwith2

boold=true;//distrue

声明其它类型变量也是按照这种方法，但是初始化与C语言有区别。GLSL非常依赖构造函数实现初始化和类型转换。、

floatb=2;//incorrect,thereisnoautomatictypecasting

floate=(float)2;//incorrect,requiresconstructorsfortypecasting

inta=2;

floatc=float(a);//correct.cis2.0

vec3f;//declaringfasavec3

vec3g=vec3(1.0,2.0,3.0);//declaringandinitializingg

在GLSL中使用一些变量初始化其它变量是非常灵活的。你只需要给出需要的数据成员即可。请看下面的例子：

vec2a=vec2(1.0,2.0);

vec2b=vec2(3.0,4.0);

vec4c=vec4(a,b)//c=vec4(1.0,2.0,3.0,4.0);

vec2g=vec2(1.0,2.0);

floath=3.0;

vec3j=vec3(g,h);

矩阵的初始化也是类似方法，矩阵包含很多种构造函数，下面的例子给出了一些初始化矩阵的构造函数：

mat4m=mat4(1.0)//initializingthediagonalofthematrixwith1.0

vec2a=vec2(1.0,2.0);

vec2b=vec2(3.0,4.0);

mat2n=mat2(a,b);//matricesareassignedincolumnmajororder

mat2k=mat2(1.0,0.0,1.0,0.0);//allelementsarespecified

下面的例子给出了初始化结构体的方法：

structdirlight//typedefinition

{

vec3direction;

vec3color;

};

dirlightd1;

dirlightd2=dirlight(vec3(1.0,1.0,0.0),vec3(0.8,0.8,0.4));

在GLSL中还有一些实用的选择子（selector），可以简化我们的操作并让代码更简洁。访问一个向量可以使用如下的方法：

vec4a=vec4(1.0,2.0,3.0,4.0);

floatposX=a.x;

floatposY=a[1];

vec2posXY=a.xy;

floatdepth=a.w

在上面的代码片段中，可以使用x、y、z、w来访问向量成员。如果是颜色的话可以使用r、g、b、a，如果是纹理坐标的话可以使用s、t、p、q。注意表示纹理坐标通常是使用s、t、r、q，但r已经表示颜色中的红色（red）了，所以纹理坐标中需要使用p来代替。矩阵的选择子可以使用一个或两个参数，比如m[0]或者m[2][3]。第一种情况选择了第一列，第二种情况选择了一个数据成员。

对于结构体来说，可以像在C语言中一样访问其成员。所以访问前面定义的结构体，可以使用如下的代码：

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

变量修饰符

修饰符给出了变量的特殊含义，GLSL中有如下修饰符：

·const–声明一个编译期常量。

·attribute–随不同顶点变化的全局变量，由OpenGL应用程序传给顶点shader。这个修饰符只能用在顶点shader中，在shader中它是一个只读变量。

·uniform–随不同图元变化的全局变量（即不能在glBegin/glEnd中设置），由OpenGL应用程序传给shader。这个修饰符能用在顶点和片断shader中，在shader中它是一个只读变量。

·varying–用于顶点shader和片断shader间传递的插值数据，在顶点shader中可写，在片断shader中只读。

一致变量（UniformVariables）

不同于顶点属性在每个顶点有其自己的值，一个一致变量在一个图元的绘制过程中是不会改变的，所以其值不能在glBegin/glEnd中设置。一致变量适合描述在一个图元中、一帧中甚至一个场景中都不变的值。一致变量在顶点shader和片断shader中都是只读的。

首先你需要获得变量在内存中的位置，这个信息只有在连接程序之后才可获得。注意，对某些驱动程序，在获得存储位置前还必须使用程序（调用glUseProgram）。

获取一个一致变量的存储位置只需要给出其在shader中定义的变量名即可：

GLintglGetUniformLocation(GLuintprogram,constchar*name);

参数：

·program–thehanulertotheprogram

·name–thenameofthevariable

返回值就是变量位置，可以用此信息设置变量的值。根据变量的数据类型不同，有一系列函数可以用来设置一致变量。用来设置浮点值的一组函数如下：

voidglUniform1f(GLintlocation,GLfloatv0);

voidglUniform2f(GLintlocation,GLfloatv0,GLfloatv1);

voidglUniform3f(GLintlocation,GLfloatv0,GLfloatv1,GLfloatv2);

voidglUniform4f(GLintlocation,GLfloatv0,GLfloatv1,GLfloatv2,GLfloatv3);

或者

GLintglUniform{1,2,3,4}fv(GLintlocation,GLsizeicount,GLfloat*v);

参数：

·location–thepreviouslyqueriedlocation

·v0,v1,v2,v3–floatvalues

·count–thenumberofelementsinthearray

·v–anarrayoffloats

对integer类型也有一组类似的函数，不过要用i替换函数中的f。对bool类型没有专门的函数，但可以使用整数的0和1来表示真假。一旦你使用了一致变量数组，那么就必须使用向量版本的函数。

对sampler变量，使用函数glUniform1i和glUniform1iv。

矩阵也是一种GLSL的数据类型，所以也有一组针对矩阵的函数：

GLintglUniformMatrix{2,3,4}fv(GLintlocation,GLsizeicount,GLbooleantranspose,GLfloat*v);

参数：

location–thepreviouslyqueriedlocation.

count–thenumberofmatrices.1ifasinglematrixisbeingset,ornforanarrayofnmatrices.

transpose–whetertotransposethematrixvalues.Avalueof1indicatesthatthematrixvaluesarespecifiedinrowmajororder,zeroiscolumnmajororder

v–anarrayoffloats.

还有一点要注意的是：使用这些函数之后，变量的值将保持到程序再次连接之时。一旦进行重新连接，所有变量的值将被重置为0。

最后是一些示例代码。假设一个shader中使用了如下变量：

uniformfloatspecIntensity;

uniformvec4specColor;

uniformfloatt[2];

uniformvec4colors[3];

在OpenGL程序中可以使用下面的代码设置这些变量：

GLintloc1,loc2,loc3,loc4;

floatspecIntensity=0.98;

floatsc[4]={0.8,0.8,0.8,1.0};

floatthreshold[2]={0.5,0.25};

floatcolors[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);

例子代码的下载地址：

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

注意设置一个数组（例子中的t）与设置四元向量（例子中的colors和specColor）的区别。中间的count参数指在shader中声明的数组元素数量，而不是在OpenGL程序中声明的。所以虽然specColor包含4个值，但glUniform4fv函数中的参数是1，因为它只是一个向量。另一种设置specColor的方法：

loc2=glGetUniformLocation(p,"specColor");

glUniform4f(loc2,sc[0],sc[1],sc[2],sc[3]);

GLSL中还可以获取数组中某个变量的地址。比如，可以获得t[1]的地址。下面的代码片段展示了设置t数组元素的另一种方法：

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

glUniform1f(loct0,threshold[0]);

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

glUniform1f(loct1,threshold[1]);

注意在glGetUniformLocation中使用方括号指示的变量。

属性变量（AttributeVariables）

在前一节提到，一致变量只能针对一个图元全体，就是说不能在glBegin和glEnd之间改变。

如果要针对每个顶点设置变量，那就需要属性变量了。事实上属性变量可以在任何时刻更新。在顶点shader中属性变量是只读的。因为它包含的是顶点数据，所以在片断shader中不能直接应用。

与一致变量相似，首先你需要获得变量在内存中的位置，这个信息只有在连接程序之后才可获得。注意，对某些驱动程序，在获得存储位置前还必须使用程序。

GLintglGetAttribLocation(GLuintprogram,char*name);

参数：

program–thehandletotheprogram.

name–thenameofthevariable

上述函数调用的返回变量在存储器中的地址。下面就可以为它指定一个值，类似一致变量，每种数据类型都有对应的函数。

voidglVertexAttrib1f(GLintlocation,GLfloatv0);

voidglVertexAttrib2f(GLintlocation,GLfloatv0,GLfloatv1);

voidglVertexAttrib3f(GLintlocation,GLfloatv0,GLfloatv1,GLfloatv2);

voidglVertexAttrib4f(GLintlocation,GLfloatv0,GLfloatv1,,GLfloatv2,GLfloatv3);

或者

GLintglVertexAttrib{1,2,3,4}fv(GLintlocation,GLfloat*v);

参数：

location–thepreviouslyqueriedlocation.

v0,v1,v2,v3–floatvalues.

v–anarrayoffloats.

对于integer类型，也有一组类似的函数。与一致变量不同，这里向量版的函数并不支持对向量数组的赋值，所以函数参数用向量或是分别指定的效果没有太大区别，就好像OpenGL中glColor3f和glColor3fv的关系。下面是一个简单的例子，假定顶点shader中声明了一个名为height的浮点属性变量，在程序连接之后可以进行如下操作：

loc=glGetAttribLocation(p,"height");

在执行渲染的代码中间可以为shader中的变量赋值：

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();

例子代码的下载地址：

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

顶点数组和属性变量也可以一起使用。首先需要使能数组，使用如下函数：

voidglEnableVertexAttribArray(GLintloc);

参数：

loc–thelocationofthevariable.

接下来使用函数提交包含数据的数组指针：

voidglVertexAttribPointer(GLintloc,GLintsize,GLenumtype,GLbooleannormalized,GLsizeistride,constvoid*pointer);

参数：

loc–thelocationofthevariable.

size–thenumberofcomponentsperelement,forinstance:1forfloat;2forvec2;3forvec3,andsoon.

type–Thedatatypeassociated:GL_FLOATisanexample.

normalized–ifsetto1thenthearrayvalueswillbenormalized,convertedtoarangefrom-1to1forsigneddata,or0to1forunsigneddata.

stride–thespacingbetweenelements.ExactlythesameasinOpenGL.

pointer–pointertothearraycontainingthedata.

下面是示例代码，首先执行初始化，定义了顶点数组和属性数组。

floatvertices[8]={-1,1,1,1,-1,-1,1,-1};

floatheights[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);

接下来的渲染步骤与OpenGL中的通常做法一致，比如调用glDrawArrays。示例源代码下载地址：

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

易变变量（VaryingVariables）

前面说过，shader包括两种类型：顶点shader和片断shader。为了计算片断的值，往往需要访问顶点的插值数据。例如，当使用逐片断光照时，我们需要知道当前片断的法线，但是在OpenGL中只为每个顶点指定了法线。顶点shader可以访问这些法线，而片断shader不能，因为法线是OpenGL程序作为属性变量指定的。

顶点变换后的数据移动到流水线的下一个阶段，在这个阶段通过使用连接信息，生成了所有图元并完成片断化。对每个片断，有一组变量会被自动进行插值并提供给片断shader，这些都是固定功能。片断的颜色就是这么处理的，到达片断shader的颜色就是组成图元的顶点颜色插值的结果。

像片断shader接收到的这种插值产生的变量，就是“易变变量”类型。GLSL包含一些预先定义的易变变量，例如前面提到的颜色。用户也可以自己定义易变变量，它们必须同时在顶点shader和片断shader中声明：

varyingfloatintensity;

一个易变变量必须先在顶点shader中声明，然后计算每个顶点的变量值。在片断shader中，接收这个变量通过插值得到的结果，注意此时这个变量是只读的。

语句和函数

控制流语句

与C语言类似，GLSL中有类似if-else的条件语句，for，while，do-while等循环语句。

if(boolexpression)

...

else

...

for(initialization;boolexpression;loopexpression)

...

while(boolexpression)

...

do

...

while(boolexpression)

GLSL也有跳转语句：

·continue–availableinloops,causesajumptothenextiterationoftheloop

·break–availableinloops,causesanexitoftheloop

·discard

最后的discard关键字只能在片断shader中使用，它将在不写入帧缓存或者深度缓存的情况下，终止当前片断的shader程序。

函数

与C语言类似，shader也是由函数组成的结构化程序。至少每类shader都必须包含一个如下方式声明的主函数：

voidmain()

此外用户还可以自定义函数。这些函数像C函数一样，一般都会有返回值，返回值的类型没有限制，但不能是数组。

函数参数可以有如下修饰符：

·in–forinputparameters

·out–foroutputsofthefunction.Thereturnstatementisalsoanoptionforsendingtheresultofafunction.

·inout–forparametersthatarebothinputandoutputofafunction

如果没有指定修饰符，默认情况下为in类型。

最后还有两点要注意：

·允许函数重载，只要参数不同。

·在标准中没有定义递归行为。

结束本节之前来看一个函数的例子：

vec4toonify(infloatintensity)

{

vec4color;

if(intensity>0.98)

color=vec4(0.8,0.8,0.8,1.0);

elseif(intensity>0.5)

color=vec4(0.4,0.4,0.8,1.0);

elseif(intensity>0.25)

color=vec4(0.2,0.2,0.4,1.0);

else

color=vec4(0.1,0.1,0.1,1.0);

return(color);

}