關(guān)于著色器

著色器是用來實現(xiàn)圖像渲染的灭必，用來替代固定渲染管線的可編程程序。著色器替代了傳統(tǒng)的固定渲染管線埃唯，可以實現(xiàn)3D圖形學計算中的相關(guān)計算析蝴，由于其可編程性矗钟，可以實現(xiàn)各種各樣的圖像效果而不用受顯卡的固定渲染管線限制。這極大的提高了圖像的畫質(zhì)嫌变。

本篇博客重點介紹GLSL語言本身吨艇，關(guān)于固定管道和可編程管道的介紹可自行查閱，或者直接參照Android OpenGLES2.0（一）——了解OpenGLES2.0的OpenGLES1.x和OpenGLES2.0的渲染管道圖腾啥，即可知道固定渲染管道和可編程渲染管道的區(qū)別东涡。
關(guān)于著色器前面的博客也提到過，在OpenGLES中著色器分為頂點著色器和片元著色器倘待，我們可以理解為：頂點著色器是針對每個頂點執(zhí)行一次疮跑，用于確定頂點的位置；片元著色器是針對每個片元（可以理解為每個像素）執(zhí)行一次凸舵，用于確定每個片元（像素）的顏色祖娘。

著色器語言簡介

OpenGLES的著色器語言GLSL是一種高級的圖形化編程語言，其源自應用廣泛的C語言啊奄。與傳統(tǒng)的C語言不同的是渐苏，它提供了更加豐富的針對于圖像處理的原生類型，諸如向量菇夸、矩陣之類琼富。OpenGLES 主要包含以下特性：

• GLSL是一種面向過程的語言，和Java的面向?qū)ο笫遣煌摹?/li>
• GLSL的基本語法與C/C++基本相同庄新。
• 它完美的支持向量和矩陣操作鞠眉。
• 它是通過限定符操作來管理輸入輸出類型的。
• GLSL提供了大量的內(nèi)置函數(shù)來提供豐富的擴展功能择诈。

在前面的博客示例中械蹋，我們所使用的都是非常簡單的著色器，基本沒有使用過GLSL的內(nèi)置函數(shù)羞芍，在后面使用光照哗戈、貼圖等等其他功能，我們不可避免的要使用這些內(nèi)置函數(shù)涩金。

著色器語言基礎(chǔ)

GLSL雖然是基于C/C++的語言谱醇，但是它和C/C++還是有很大的不同的，比如在GLSL中沒有double步做、long等類型副渴，沒有union、enum全度、unsigned以及位運算等特性煮剧。

數(shù)據(jù)類型

GLSL中的數(shù)據(jù)類型主要分為標量、向量、矩陣勉盅、采樣器佑颇、結(jié)構(gòu)體、數(shù)組草娜、空類型七種類型：

• 標量：標量表示的是只有大小沒有方向的量挑胸，在GLSL中標量只有bool、int和float三種宰闰。對于int茬贵，和C一樣，可以寫為十進制（16）移袍、八進制（020）或者十六進制（0x10）解藻。關(guān)于進制不了解的，得自己補補葡盗，這是編程基礎(chǔ)螟左。對于標量的運算，我們最需要注意的是精度觅够，防止溢出問題胶背。

• 向量：向量我們可以看做是數(shù)組，在GLSL通常用于儲存顏色蔚约、坐標等數(shù)據(jù)奄妨，針對維數(shù)涂籽，可分為二維苹祟、三維和四位向量。針對存儲的標量類型评雌，可以分為bool树枫、int和float。共有vec2景东、vec3砂轻、vec4，ivec2斤吐、ivec3搔涝、ivec4、bvec2和措、bvec3和bvec4九種類型庄呈，數(shù)組代表維數(shù)、i表示int類型派阱、b表示bool類型诬留。需要注意的是，GLSL中的向量表示豎向量，所以與矩陣相乘進行變換時文兑，矩陣在前盒刚，向量在后（與DirectX正好相反）。向量在GPU中由硬件支持運算绿贞，比CPU快的多因块。

  1. 作為顏色向量時，用rgba表示分量籍铁，就如同取數(shù)組的中具體數(shù)據(jù)的索引值贮聂。三維顏色向量就用rgb表示分量。比如對于顏色向量vec4 color寨辩，color[0]和color.r都表示color向量的第一個值吓懈，也就是紅色的分量。其他相同靡狞。
  2. 作為位置向量時耻警，用xyzw表示分量，xyz分別表示xyz坐標甸怕，w表示向量的模甘穿。三維坐標向量為xyz表示分量，二維向量為xy表示分量梢杭。
  3. 作為紋理向量時温兼，用stpq表示分量，三維用stp表示分量武契，二維用st表示分量募判。

• 矩陣：在GLSL中矩陣擁有22、33咒唆、4*4三種類型的矩陣届垫，分別用mat2、mat3全释、mat4表示装处。我們可以把矩陣看做是一個二維數(shù)組，也可以用二維數(shù)組下表的方式取里面具體位置的值浸船。

• 采樣器：采樣器是專門用來對紋理進行采樣工作的妄迁，在GLSL中一般來說，一個采樣器變量表示一副或者一套紋理貼圖李命。所謂的紋理貼圖可以理解為我們看到的物體上的皮膚登淘。

• 結(jié)構(gòu)體：和C語言中的結(jié)構(gòu)體相同，用struct來定義結(jié)構(gòu)體项戴，關(guān)于結(jié)構(gòu)體參考C語言中的結(jié)構(gòu)體形帮。

• 數(shù)組：數(shù)組知識也和C中相同槽惫，不同的是數(shù)組聲明時可以不指定大小，但是建議在不必要的情況下辩撑，還是指定大小的好界斜。

• 空類型：空類型用void表示，僅用來聲明不返回任何值得函數(shù)合冀。

變量聲明示例：

float a=1.0;
int b=1;
bool c=true;
vec2 d=vec2(1.0,2.0);
vec3 e=vec3(1.0,2.0,3.0)
vec4 f=vec4(vec3,1.2);
vec4 g=vec4(0.2);  //相當于vec(0.2,0.2,0.2,0.2)
vec4 h=vec4(a,a,1.3,a);
mat2 i=mat2(0.1,0.5,1.2,2.4);
mat2 j=mat2(0.8);   //相當于mat2(0.8,0.8,0.8,0.8)
mat3 k=mat3(e,e,1.2,1.6,1.8);

運算符

GLSL中的運算符有（越靠前各薇，運算優(yōu)先級越高）：
1. 索引：[]
2. 前綴自加和自減：++，–
3. 一元非和邏輯非：~君躺，峭判！
4. 加法和減法：+，-
5. 等于和不等于：==棕叫，林螃！=
6. 邏輯異或：^^
7. 三元運算符號，選擇：俺泣？:
8. 成員選擇與混合：.
9. 后綴自加和自減：++疗认，–
10. 乘法和除法：，/
11. 關(guān)系運算符：>伏钠，<横漏，=，>=熟掂，<=缎浇，<>
12. 邏輯與：&&
13. 邏輯或：||
14. 賦值預算：=，+=赴肚，-=素跺，=，/=

類型轉(zhuǎn)換

GLSL的類型轉(zhuǎn)換與C不同尊蚁。在GLSL中類型不可以自動提升亡笑，比如float a=1;就是一種錯誤的寫法，必須嚴格的寫成float a=1.0横朋，也不可以強制轉(zhuǎn)換，即float a=(float)1;也是錯誤的寫法百拓，但是可以用內(nèi)置函數(shù)來進行轉(zhuǎn)換琴锭，如float a=float(1);還有float a=float(true);（true為1.0，false為0.0）等衙传，值得注意的是决帖，低精度的int不能轉(zhuǎn)換為低精度的float。蓖捶。

限定符

在之前的博客中也提到了地回，GLSL中的限定符號主要有：

• attritude：一般用于各個頂點各不相同的量。如頂點顏色、坐標等刻像。
• uniform：一般用于對于3D物體中所有頂點都相同的量畅买。比如光源位置，統(tǒng)一變換矩陣等细睡。
• varying：表示易變量谷羞，一般用于頂點著色器傳遞到片元著色器的量。
• const：常量溜徙。

限定符與java限定符類似浓恳，放在變量類型之前更米，并且只能用于全局變量。在GLSL中，沒有默認限定符一說人乓。

流程控制

GLSL中的流程控制與C中基本相同，主要有：

• if(){}驰弄、if(){}else{}云石、if(){}else if(){}else{}
• while(){}和do{}while()
• for(;;){}
• break和continue

函數(shù)

GLSL中也可以定義函數(shù)，定義函數(shù)的方式也與C語言基本相同求妹。函數(shù)的返回值可以是GLSL中的除了采樣器的任意類型乏盐。對于GLSL中函數(shù)的參數(shù)，可以用參數(shù)用途修飾符來進行修飾制恍，常用修飾符如下：

• in：輸入?yún)?shù)父能，無修飾符時默認為此修飾符。
• out：輸出參數(shù)净神。
• inout：既可以作為輸入?yún)?shù)何吝，又可以作為輸出參數(shù)。

浮點精度

與頂點著色器不同的是鹃唯，在片元著色器中使用浮點型時爱榕，必須指定浮點類型的精度，否則編譯會報錯坡慌。精度有三種黔酥，分別為：

• lowp：低精度。8位洪橘。
• mediump：中精度跪者。10位。
• highp：高精度熄求。16位渣玲。

具體如下表：

image.png

不僅僅是float可以制定精度，其他（除了bool相關(guān)）類型也同樣可以弟晚，但是int忘衍、采樣器類型并不一定要求指定精度逾苫。加精度的定義如下：

uniform lowp float a=1.0;
varying mediump vec4 c;

當然，也可以在片元著色器中設置默認精度枚钓，只需要在片元著色器最上面加上precision <精度> <類型>即可制定某種類型的默認精度铅搓。其他情況相同的話，精度越高秘噪，畫質(zhì)越好狸吞，使用的資源也越多。

程序結(jié)構(gòu)

前面幾篇博客都有使用到著色器指煎，我們對著色器的程序結(jié)構(gòu)也應該有一定的了解蹋偏。也許一直沉浸在Android應用開發(fā)，沒有了解C開發(fā)的朋友至壤，對這種結(jié)構(gòu)并不熟悉威始。GLSL程序的結(jié)構(gòu)和C語言差不多，main()方法表示入口函數(shù)像街，可以在其上定義函數(shù)和變量黎棠，在main中可以引用這些變量和函數(shù)。定義在函數(shù)體以外的叫做全局變量镰绎，定義在函數(shù)體內(nèi)的叫做局部變量脓斩。與高級語言不通的是，變量和函數(shù)在使用前必須聲明畴栖，不能再使用的后面聲明變量或者函數(shù)随静。

內(nèi)建變量

在著色器中我們一般都會聲明變量來在程序中使用，但是著色器中還有一些特殊的變量吗讶，不聲明也可以使用燎猛。這些變量叫做內(nèi)建變量。內(nèi)建變量照皆，相當于著色器硬件的輸入和輸出點重绷，使用者利用這些輸入點輸入之后，就會看到屏幕上的輸出膜毁。通過輸出點可以知道輸出的某些數(shù)據(jù)內(nèi)容昭卓。當然，實際上肯定不會這樣簡單爽茴，這么說只是為了幫助理解葬凳。在頂點著色器中的內(nèi)建變量和片元著色器的內(nèi)建變量是不相同的。著色器中的內(nèi)建變量有很多室奏，在此，我們只列出最常用的集中內(nèi)建變量劲装。

頂點著色器的內(nèi)建變量

1. 輸入變量：

   • gl_Position：頂點坐標
   • gl_PointSize：點的大小胧沫，沒有賦值則為默認值1昌简，通常設置繪圖為點繪制才有意義。

片元著色器的內(nèi)建變量

1. 輸入變量

   • gl_FragCoord：當前片元相對窗口位置所處的坐標绒怨。
   • gl_FragFacing：bool型纯赎，表示是否為屬于光柵化生成此片元的對應圖元的正面。

2. 輸出變量

   • gl_FragColor：當前片元顏色
   • gl_FragData：vec4類型的數(shù)組南蹂。向其寫入的信息犬金，供渲染管線的后繼過程使用。

常用內(nèi)置函數(shù)

常見函數(shù)

• radians(x)：角度轉(zhuǎn)弧度
• degrees(x)：弧度轉(zhuǎn)角度
• sin(x)：正弦函數(shù)六剥，傳入值為弧度晚顷。相同的還有cos余弦函數(shù)、tan正切函數(shù)疗疟、asin反正弦该默、acos反余弦、atan反正切
• pow(x,y)：
• exp(x)：
• exp2(x)：2的x次方
• log(x)：
• log2(x)：
• sqrt(x)：對x開根號
• inversesqr(x)：
• abs(x)：取x的絕對值
• sign(x)：x>0返回1.0策彤，x<0返回-1.0栓袖，否則返回0.0
• ceil(x)：返回大于或者等于x的整數(shù)
• floor(x)：返回小于或者等于x的整數(shù)
• fract(x)：返回x-floor(x)的值
• mod(x,y)：取模（求余）
• min(x,y)：獲取xy中小的那個
• max(x,y)：獲取xy中大的那個
• mix(x,y,a)：返回<nobr aria-hidden="true">x?(1?a)+y?a
• step(x,a)：x< a返回0.0，否則返回1.0
• smoothstep(x,y,a)：a < x返回0.0店诗，a>y返回1.0裹刮，否則返回0.0-1.0之間平滑的Hermite插值。
• dFdx(p)：p在x方向上的偏導數(shù)
• dFdy(p)：p在y方向上的偏導數(shù)
• fwidth(p)：p在x和y方向上的偏導數(shù)的絕對值之和

幾何函數(shù)

• length(x)：計算向量x的長度
• distance(x,y)：返回向量xy之間的距離
• dot(x,y)：返回向量xy的點積
• cross(x,y)：返回向量xy的差積
• normalize(x)：返回與x向量方向相同庞瘸，長度為1的向量

矩陣函數(shù)

• matrixCompMult(x,y)：將矩陣相乘
• lessThan(x,y)：返回向量xy的各個分量執(zhí)行x< y的結(jié)果捧弃，類似的有g(shù)reaterThan,equal,notEqual
• lessThanEqual(x,y)：返回向量xy的各個分量執(zhí)行x<= y的結(jié)果，類似的有類似的有g(shù)reaterThanEqual
• any(bvec x)：x有一個元素為true恕洲，則為true
• all(bvec x)：x所有元素為true塔橡，則返回true，否則返回false
• not(bvec x)：x所有分量執(zhí)行邏輯非運算

紋理采樣函數(shù)

紋理采樣函數(shù)有texture2D霜第、texture2DProj葛家、texture2DLod、texture2DProjLod泌类、textureCube癞谒、textureCubeLod及texture3D、texture3DProj刃榨、texture3DLod弹砚、texture3DProjLod等。

• texture表示紋理采樣枢希，2D表示對2D紋理采樣桌吃，3D表示對3D紋理采樣
• Lod后綴，只適用于頂點著色器采樣
• Proj表示紋理坐標st會除以q

紋理采樣函數(shù)中苞轿，3D在OpenGLES2.0并不是絕對支持茅诱。我們再次暫時不管3D紋理采樣函數(shù)逗物。重點只對texture2D函數(shù)進行說明。texture2D擁有三個參數(shù)瑟俭，第一個參數(shù)表示紋理采樣器翎卓。第二個參數(shù)表示紋理坐標，可以是二維摆寄、三維失暴、或者四維。第三個參數(shù)加入后只能在片元著色器中調(diào)用微饥，且只對采樣器為mipmap類型紋理時有效逗扒。

小結(jié)

到這里，關(guān)于著色器語言GLSL就大致介紹完了畜号，相對Java來說缴阎，GLSL語言不知簡單了多少倍。結(jié)合之前博客的案例简软，相信我們也能夠?qū)懸恍┖唵蔚闹髁寺巍Ｔ诤罄m(xù)的博客中，我們將會學習紋理痹升、光照建炫、混合與霧、圖像處理等內(nèi)容疼蛾，將會頻繁的用到著色器語言肛跌，在使用的過程中，我們才能更好的掌握GLSL察郁。
轉(zhuǎn)：https://blog.csdn.net/junzia/article/details/52830604