Android OpenGL ES 开发（八）: OpenGL ES 着色器语言GLSL
前面的文章主要是整理的Android 官方文档对OpenGL ES支持的介绍。通过之前的文章，我们基本上可以完成的基本的形状的绘制。
这是本人做的整理笔记： https://github.com/renhui/OpenGLES20Study
目前到这里第一阶段的学习，也就是基本的图形绘制，基本的交互的实现。
- 平面绘制：三角形、正方形、在相机视角下的三角形、彩色三角形
- 立体绘制：正方体、圆柱体、圆锥体、球体
- 基本交互：手绘点、旋转三角形
知道了基本的图形绘制，也知道了基本的交互的实现，现在可能大多数人还是对整个实现的流程有点懵，最主要的地方可能就是对顶点着色器和片元着色器了。前面的使用过程中，我们大概也对着色器语言有一定的了解了，但是在前面我们使用的着色器代码还是很简单的，做的事情也是很有限的，后面的开发过程中，我们用到的着色器会越来越复杂，So，这里我们想一下着色器语言GLSL。
我们知道，在OpenGL ES中着色器分为顶点着色器和片元着色器。顶点着色器是针对每个顶点执行一次，用于确定顶点的位置。片元着色器是针对每个片元，片元我们可以理解为每个像素，用于确定每个片元（像素）的颜色。
一、GLSL 简介
GLSL又叫OpenGL着色语言（OpenGL Shading Language），是用来在OpenGL中着色编程的语言，是一种面向过程的语言，基本的语法和C/C++基本相同，他们是在图形卡的GPU （Graphic Processor Unit图形处理单元）上执行的，代替了固定的渲染管线的一部分，使渲染管线中不同层次具有可编程性。比如：视图转换、投影转换等。GLSL（GL Shading Language）的着色器代码分成2个部分：Vertex Shader（顶点着色器）和Fragment（片断着色器）。
在前面的学习中，我们基本上使用的都是非常简单的着色器，基本上没有使用过GLSL的内置函数，但是在后面我们完成其他的功能的时候应该就会用到这些内置函数了。
二、GLSL 基础
GLSL 虽然很类似于C/C++，但是它和C/C++还是有很大的不同的，比如，没有double，long等类型，没有union、enum、unsigned以及位运算等特性。
基本数据类型
GLSL中的数据类型主要分为标量、向量、矩阵、采样器、结构体、数组、空类型七种类型：
1. 标量：
标量表示的是只有大小没有方向的量，在GLSL中标量只有bool、int和float三种。对于int，和C一样，可以写为十进制（16）、八进制（020）或者十六进制（0x10）。对于标量的运算，我们最需要注意的是精度，防止溢出问题。
2. 向量：
向量我们可以看做是数组，在GLSL通常用于储存颜色、坐标等数据，针对维数，可分为二维、三维和四位向量。针对存储的标量类型，可以分为bool、int和float。共有vec2、vec3、vec4，ivec2、ivec3、ivec4、bvec2、bvec3和bvec4九种类型，数组代表维数、i表示int类型、b表示bool类型。需要注意的是，GLSL中的向量表示竖向量，所以与矩阵相乘进行变换时，矩阵在前，向量在后（与DirectX正好相反）。向量在GPU中由硬件支持运算，比CPU快的多。
- 作为颜色向量时，用rgba表示分量，就如同取数组的中具体数据的索引值。三维颜色向量就用rgb表示分量。比如对于颜色向量vec4 color，color[0]和color.r都表示color向量的第一个值，也就是红色的分量。其他相同。
- 作为位置向量时，用xyzw表示分量，xyz分别表示xyz坐标，w表示向量的模。三维坐标向量为xyz表示分量，二维向量为xy表示分量。
- 作为纹理向量时，用stpq表示分量，三维用stp表示分量，二维用st表示分量。
3. 矩阵：
在GLSL中矩阵拥有22、33、4*4三种类型的矩阵，分别用mat2、mat3、mat4表示。我们可以把矩阵看做是一个二维数组，也可以用二维数组下表的方式取里面具体位置的值。
4.采样器：
采样器是专门用来对纹理进行采样工作的，在GLSL中一般来说，一个采样器变量表示一副或者一套纹理贴图。所谓的纹理贴图可以理解为我们看到的物体上的皮肤。
5.结构体：
和C语言中的结构体相同，用struct来定义结构体，关于结构体参考C语言中的结构体。
6.数组：
数组知识也和C中相同，不同的是数组声明时可以不指定大小，但是建议在不必要的情况下，还是指定大小的好。
7.空类型：
空类型用void表示，仅用来声明不返回任何值得函数。
数据声明示例：
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); //相当于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); //相当于mat2(0.8,0.8,0.8,0.8)
mat3 k=mat3(e,e,1.2,1.6,1.8);
运算符
GLSL中的运算符有（越靠前，运算优先级越高）：
- 索引：[]
- 前缀自加和自减：++，–
- 一元非和逻辑非：~，！
- 加法和减法：+，-
- 等于和不等于：==，！=
- 逻辑异或：^^
- 三元运算符号，选择：？:
- 成员选择与混合：.
- 后缀自加和自减：++，–
- 乘法和除法：*，/
- 关系运算符：>，<，=，>=，<=，<>
- 逻辑与：&&
- 逻辑或：||
- 赋值预算：=，+=，-=，*=，/=
类型转换
GLSL的类型转换与C不同。在GLSL中类型不可以自动提升，比如float a=1;就是一种错误的写法，必须严格的写成float a=1.0，也不可以强制转换，即float a=(float)1;也是错误的写法，但是可以用内置函数来进行转换，如float a=float(1);还有float a=float(true);（true为1.0，false为0.0）等，值得注意的是，低精度的int不能转换为低精度的float。
限定符
在之前的博客中也提到了，GLSL中的限定符号主要有：
- attritude：一般用于各个顶点各不相同的量。如顶点颜色、坐标等。
- uniform：一般用于对于3D物体中所有顶点都相同的量。比如光源位置，统一变换矩阵等。
- varying：表示易变量，一般用于顶点着色器传递到片元着色器的量。
- const：常量。
限定符与java限定符类似，放在变量类型之前，并且只能用于全局变量。在GLSL中，没有默认限定符一说。
流程控制
GLSL中的流程控制与C中基本相同，主要有：
- if(){}、if(){}else{}、if(){}else if(){}else{}
- while(){}和do{}while()
- for(;😉{}
- break和continue
函数
GLSL中也可以定义函数，定义函数的方式也与C语言基本相同。函数的返回值可以是GLSL中的除了采样器的任意类型。对于GLSL中函数的参数，可以用参数用途修饰符来进行修饰，常用修饰符如下：
- in：输入参数，无修饰符时默认为此修饰符。
- out：输出参数。
- inout：既可以作为输入参数，又可以作为输出参数。
浮点精度
与顶点着色器不同的是，在片元着色器中使用浮点型时，必须指定浮点类型的精度，否则编译会报错。精度有三种，分别为：
- lowp：低精度。8位。
- mediump：中精度。10位。
- highp：高精度。16位。
不仅仅是float可以制定精度，其他（除了bool相关）类型也同样可以，但是int、采样器类型并不一定要求指定精度。加精度的定义如下：
uniform lowp float a=1.0;
varying mediump vec4 c;
当然，也可以在片元着色器中设置默认精度，只需要在片元着色器最上面加上precision <精度> <类型>即可制定某种类型的默认精度。其他情况相同的话，精度越高，画质越好，使用的资源也越多。
程序结构
前面几篇博客都有使用到着色器，我们对着色器的程序结构也应该有一定的了解。也许一直沉浸在Android应用开发，没有了解C开发的朋友，对这种结构并不熟悉。GLSL程序的结构和C语言差不多，main()方法表示入口函数，可以在其上定义函数和变量，在main中可以引用这些变量和函数。定义在函数体以外的叫做全局变量，定义在函数体内的叫做局部变量。与高级语言不通的是，变量和函数在使用前必须声明，不能再使用的后面声明变量或者函数。
GLSL 内建变量
在着色器中我们一般都会声明变量来在程序中使用，但是着色器中还有一些特殊的变量，不声明也可以使用。这些变量叫做内建变量。內建变量，相当于着色器硬件的输入和输出点，使用者利用这些输入点输入之后，就会看到屏幕上的输出。通过输出点可以知道输出的某些数据内容。当然，实际上肯定不会这样简单，这么说只是为了帮助理解。在顶点着色器中的内建变量和片元着色器的内建变量是不相同的。着色器中的内建变量有很多，在此，我们只列出最常用的集中内建变量。
顶点着色器的内建变量
输入变量：
- gl_Position：顶点坐标
- gl_PointSize：点的大小，没有赋值则为默认值1，通常设置绘图为点绘制才有意义。\
片元着色器的内建变量
输入变量:
- gl_FragCoord：当前片元相对窗口位置所处的坐标。
- gl_FragFacing：bool型，表示是否为属于光栅化生成此片元的对应图元的正面。
输出变量:- gl_FragColor：当前片元颜色
- gl_FragData：vec4类型的数组。向其写入的信息，供渲染管线的后继过程使用。
常用内置函数
常见函数
- radians(x)：角度转弧度
- degrees(x)：弧度转角度
- sin(x)：正弦函数，传入值为弧度。相同的还有cos余弦函数、tan正切函数、asin反正弦、acos反余弦、atan反正切
- pow(x,y)：xy
- exp(x)：ex
- exp2(x)：2x
- log(x)：logex
- log2(x)：log2x
- sqrt(x)：x√
- inversesqr(x)：1x√
- abs(x)：取x的绝对值
- sign(x)：x>0返回1.0，x<0返回-1.0，否则返回0.0
- ceil(x)：返回大于或者等于x的整数
- floor(x)：返回小于或者等于x的整数
- fract(x)：返回x-floor(x)的值
- mod(x,y)：取模（求余）
- min(x,y)：获取xy中小的那个
- max(x,y)：获取xy中大的那个
- mix(x,y,a)：返回x∗(1−a)+y∗a
- step(x,a)：x< a返回0.0，否则返回1.0
- smoothstep(x,y,a)：a < x返回0.0，a>y返回1.0，否则返回0.0-1.0之间平滑的Hermite插值。
- dFdx(p)：p在x方向上的偏导数
- dFdy(p)：p在y方向上的偏导数
- fwidth(p)：p在x和y方向上的偏导数的绝对值之和
几何函数
- length(x)：计算向量x的长度
- distance(x,y)：返回向量xy之间的距离
- dot(x,y)：返回向量xy的点积
- cross(x,y)：返回向量xy的差积
- normalize(x)：返回与x向量方向相同，长度为1的向量
矩阵函数
- matrixCompMult(x,y)：将矩阵相乘
- lessThan(x,y)：返回向量xy的各个分量执行x< y的结果，类似的有greaterThan,equal,notEqual
- lessThanEqual(x,y)：返回向量xy的各个分量执行x<= y的结果，类似的有类似的有greaterThanEqual
- any(bvec x)：x有一个元素为true，则为true
- all(bvec x)：x所有元素为true，则返回true，否则返回false
- not(bvec x)：x所有分量执行逻辑非运算
纹理采样函数
纹理采样函数有texture2D、texture2DProj、texture2DLod、texture2DProjLod、textureCube、textureCubeLod及texture3D、texture3DProj、texture3DLod、texture3DProjLod等。
- texture表示纹理采样，2D表示对2D纹理采样，3D表示对3D纹理采样
- Lod后缀，只适用于顶点着色器采样
- Proj表示纹理坐标st会除以q
纹理采样函数中，3D在OpenGLES2.0并不是绝对支持。我们再次暂时不管3D纹理采样函数。重点只对texture2D函数进行说明。texture2D拥有三个参数，第一个参数表示纹理采样器。第二个参数表示纹理坐标，可以是二维、三维、或者四维。第三个参数加入后只能在片元着色器中调用，且只对采样器为mipmap类型纹理时有效。
