GLSL基础

GLSL基础

OpenGL Shading Language GLSL作为一种着色语言是纯粹的和GPU打交道的计算机语言。
因为GPU是多线程并行处理器，所以GLSL直接面向SIMD模型的多线程计算。
GLSL编写的着色器函数是对每个数据同时执行的。
每个顶点都会由顶点着色器中的算法处理，每个像素也都会由片段着色器中的算法处理。
因此，初学者在编写自己的着色器时，需要考虑到SIMD的并发特性，并用并行计算的思路来思考问题。 

最常见用法是在顶点着色器里生成所需要的值，然后传给片断着色器用。  
GLSL能做什么？

• 日以逼真的材质 -- 金属，岩石，木头，油漆等
• 日益逼真的光照效果 -- 区域光和软阴影
• 非现实材质 -- 美术效果，钢笔画，水墨画和对插画技术的模拟
• 针对纹理内存的新用途
• 更少的纹理访问 
• 图形处理 -- 选择，边缘钝化遮蔽和复杂混合
• 动画效果 -- 关键帧插值，粒子系统
• 用户可编程的反走样方法

GLSL注意

• GLSL支持函数重载
• GLSL不存在数据类型的自动提升，类型必须严格保持一致。
• GLSL不支持指针，字符串，字符，它基本上是一种处理数字数据的语言
• GLSL不支持联合、枚举类型、结构体位字段及按位运算符

数据类型

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GLSL有三种基本数据类型：float，int和bool，以及由这些数据类型组成的数组和结构体。
需要注意的是，GLSL并不支持指针。与C/C++不同的是，GLSL将向量和矩阵作为基本数据类型。
注意：GLSL不存在数据类型的自动提升，类型必须严格保持一致。

标量

• float 
• int 
• bool 

42   // 十进制  
042  // 八进制  
0x2A // 十六进制

 

GLSL不存在数据类型的自动提升，类型必须严格保持一致

矢量

矢量可以和标量甚至矩阵做加减乘除(必须符合规则) 

 vec2,  vec3,  vec4 // 包含2/3/4个浮点数的矢量
ivec2, ivec3, ivec4 // 包含2/3/4个整数的矢量
bvec2, bvec3, bvec4 // 包含2/3/4个布尔值的矢量

声明：

vec3 v;             //声明三维浮点型向量v  
v[1]=3.0;           //给向量v的第二个元素赋值  

// 下面两种等价
vec3 v = vec3(0.6);
vec3 v = vec3(0.6, 0.6, 0.6);

注意： 除了用索引的方式外，还可以用选择运算符的方式来使用向量。选择运算符是对于向量的各个元素（最多为4个）约定俗成的名称，用一个小写拉丁字母来表示。根据向量表示对象的意义不同，可以使用以下选择运算符：
表示顶点可以用 (x、y、z、w)
表示颜色可以用 (r、g、b、a)
表示纹理坐标用 (s、t、p、q)
用户可以选择其中任意一种选择运算符，它们的作用是等效的。
也就是说，如果v是一个向量，那么 v[0]、v.r、v.x 和 v.s 都指的是向量v的第一个元素。  
例如：

vec4 v1=vec4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0)；   //用构造函数的方式声明并初始化四维浮点型
vec4 v2；  
v2.xy=v1.yz;                    //将v1的第二个和第三个元素复制到v2的第一个和第二个元素 
v2.z=2.0;                       //给v2的第三个元素赋值  
v2.xy=v1.yx;                    //将v1的头两个元素互换，再复制到v2的头两个元素中

矩阵

mat2, mat3, mat4 -- 2x2/3x3/4x4/的矩阵
矩阵是按列顺序组织的，先列后行

例如：

mat4 m;             //声明四维浮点型方阵m  
m[2][3]=2.0;        //给方阵的第三列、第四行元素赋值 

// 下面两种等价，初始化矩阵对角
mat2 m = mat2(1.0)
mat2 m = mat2(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);

取样器(Sampler)

纹理查找需要制定哪个纹理或者纹理单元将制定查找。

sampler1D           // 访问一个一维纹理
sampler2D           // 访问一个二维纹理           
sampler3D           // 访问一个三维纹理
samplerCube         // 访问一个立方贴图纹理
sampler1DShadow     // 访问一个带对比的一维深度纹理
sampler2DShadow     // 访问一个带对比的二维深度纹理

uniform sampler2D grass;

vcc2 coord = vec2(100, 100);
vec4 color = texture2D(grass, coord);

如果一个着色器要在程序里结合多个纹理，可以使用取样器数组

const int tex_nums = 4;
uniform sampler2D textures[tex_nums];

for(int i = 0; i < tex_nums; ++i) {
    sampler2D tex = textures[i];
    // todo ...
}

结构体：

这是唯一的用户定义类型

struct light  
{  
    vec3 position;  
    vec3 color;  
};  

light ceiling_light;

数组

数组索引是从0开始的，而且没有指针概念

// 创建一个10个元素的数组  
vec4 points[10];  

// 创建一个不指定大小的数组
vec4 points[]; 
points[2] = vec4(1.0);  // points现在大小为3
points[7] = vec4(2.0);  // points现在大小为8

void

只能用于声明函数返回值

类型转换

必须明确地进行类型转换，不会自动类型提升

float f = 2.3; 
bool b = bool(f); // b is true

限定符

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GLSL中有4个限定符（variable qualifiers）可供使用，它们限定了被标记的变量不能被更改的"范围"。 

• const
• attribute
• uniform
• varying

const

const和C++里差不多，定义不可变常量
表示限定的变量在编译时不可被修改

attribute

attribute是应用程序传给顶点着色器用的
不允许声明时初始化
attribute限定符标记的是一种全局变量,该变量在顶点着色器中是只读（read-only）的，该变量被用作从OpenGL应用程序向顶点着色器中传递参数，因此该限定符仅能用于顶点着色器。

uniform

unifrom一般是应用程序用于设定顶点着色器和片断着色器相关初始化值。
不允许声明时初始化
uniform限定符标记的是一种全局变量,该变量对于一个图元（primitive）来说是不可更改的 它可以从OpenGL应用程序中接收传递来的参数。

varying

varying用于传递顶点着色器的值给片断着色器
不允许声明时初始化
它提供了从顶点着色器向片段着色器传递数据的方法，varying限定符可以在顶点着色器中定义变量，然后再传递给光栅化器，光栅化器对数据插值后，再将每个片段的值交给片段着色器。 

限制

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• 不能在if-else中声明变量
• 用于判断的条件必须是bool类型(if,while,for...)
• (?:)操作符后两个参数必须类型相同
• 不支持switch语句

vec4 toonify(in float intensify) 
{
    vec4 color;
    color = vec4(0.8,0.8,0.8,0.8)
    return color;
}

discard

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discard关键字可以避免片段更新帧缓冲区，当流控制遇到这个关键字时，正在处理的片段就会被标记为丢

函数

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• 函数名可以通过参数类型重载，但是和返回值类型无关
• 所有参数必须完全匹配，参数不会自动
• 函数不能被递归调用
• 函数返回值不能是数组

函数参数标示符

in: 进复制到函数中，但不返回的参数(默认)
out: 不将参数复制到函数中，但返回参数
inout: 复制到函数中并返回 

混合操作

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通过在选择器(.)后列出各分量名，就可以选择这些分量 

vec4 v4;
v4.rgba;    // 得到vec4
v4.rgb;     // 得到vec3
v4.b;       // 得到float
v4.xy;      // 得到vec2
v4.xgba;    // 错误！分量名不是同一类

v4.wxyz;    // 打乱原有分量顺序
v4.xxyy;    // 重复分量

 最后推荐一个GLSL编辑调试工具 OpenGL Shader Builder (Mac OS X) 在苹果的开发者中心的下载Graphics Tools.dmp