【LearnOpenGL】06.着色器基础
开发环境
- Windows 10
- Visual Studio Community 2022
准备项目
1.新建一个空的C++项目：06_Shader，并设置为启动项目。
2.配置GLEW和GLFW。根据【LearnOpenGL】01.创建窗口和【LearnOpenGL】03.配置GLEW，对这2项进行配置，保证编译通过。
简介
OpenGL 着色语言（OpenGL Shading Language，简称为GLSL）是 OpenGL 中使用了一种高级的图形编程语言。其中可以在 OpenGL 可编程处理器上执行的 OpenGL 着色语言代码被称为“着色器（Shader）”。
可编程着色器主要是对顶点和片元进行处理。顶点处理涉及在各个顶点发生的操作，尤其是变换和光照。片元处理是在各个片元（各个像素的数据结构）基础上进行的操作，尤其是从纹理内存读取和在各个片元上应用纹理值的操作组成的。
语法
OpenGL 着色语言是基于 ANSI C 编程语言的语法。使用 OpenGL 着色语言编写的程序的基本结构与使用 C 编写的程序的基本结构相同：
- 一组着色器的入口点是函数 void main()，而这个函数的主体被界定在括号中。
- OpenGL 着色语言中的常量、标识符、运算符、表达式和语句与 C 是基本相同的。
- 用于循环的控制流、if-then-else 以及函数调用与 C 几乎完全相同。
OpenGL 着色语言也具有其专用性。添加了一些与 ANSI C 不同的语言特性：
- 支持用于浮点数、整数和布尔值的矢量类型。
- 运算符可以像处理标量一样处理矢量类型。
- 使用数组语法或者作为一个结构的字段可以访问矢量的单个组分。
- 增加了浮点矩阵，使用数组语法可以选定矩阵的列，得到一个矢量。
- 增加了取样器（sampler）的基本类型，可以用来访问纹理内存。
- 增加了attribute、uniform 和 varying 限定符。
数据类型：标量
类型 | 描述 |
float | 声明一个单独的浮点数 |
int | 声明一个单独的整数 |
bool | 声明一个单独的布尔数 |
数据类型：矢量
类型 | 描述 |
vec2 | 包含2个浮点数的矢量 |
vec3 | 包含3个浮点数的矢量 |
vec4 | 包含4个浮点数的矢量 |
ivec2 | 包含2个整数的矢量 |
ivec3 | 包含3个整数的矢量 |
ivec4 | 包含4个整数的矢量 |
bvec2 | 包含2个布尔数的矢量 |
bvec3 | 包含3个布尔数的矢量 |
bvec4 | 包含4个布尔数的矢量 |
数据类型：矩阵
mat2 或 mat2x2 | mat2x3 | mat2x4 |
mat3x2 | mat3 或 mat3x3 | mat3x4 |
mat4x2 | mat4x3 | mat4 或 mat4x4 |
数据类型：取样器
类型 | 描述 |
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 |
限定符：Attribute
属性限定符（或者属性变量）用来使应用程序将经常修改的数据传递到顶点着色器中。
- 局限于浮点数标量、浮点数矢量和矩阵。
- 不能在片元着色器中声明。
限定符：Uniform
一致限定变量（或一致变量）只能在着色器外部设置，并且是用于较少更改的数据。
- 支持所有数据类型和所有数据类型的数组。
- 一致变量不能被写入着色器。
限定符：Varying
易变限定变量（或者易变变量）是可以让顶点着色器与片元着色器交流结果的唯一方式。用于从顶点着色器传递为片元着色器的插值得到的信息。
调用约定：in、out
OpenGL 着色语言使用按值-返回调用作为其调用约定。这里要与按值调用做一下区分。
- 按值调用：限定为输入参数的参数将被复制到函数中，并且不会作为引用传递。
- 按值-返回调用：限定为输出参数的参数将会返回到调用程序。
关键字 | 说明 |
in | 复制进函数但不在返回时复制，在函数内部仍然是可写的。 |
out | 只在返回时复制，是可读的，但是在进入函数时是未定义的。 |
inout | 复制进函数并在返回时复制。 |
顶点着色器
顶点着色器（Vertex Shader）包含了在提供给 OpenGL 的各个顶点上发生的操作。
#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 position;
layout(location = 1) in vec3 color;
out vec3 v_Color;
void main()
{
gl_Position = vec4(position, 1.0);
v_Color = color;
}第1行：版本声明。这里表示适用于 OpenGL 3.3以及更高版本中。
第2行：输入位置顶点属性，以及定义该属性位置值（Location）为0。
第3行：输入颜色顶点属性，以及定义该属性位置值为1。
第4行：为片元着色器指定一个颜色输出。
第8行：将顶点属性输入到顶点着色器。这里表示将位置属性输入到 gl_Position 中。
第9行：将顶点属性中颜色变量赋值给颜色输出。
片元着色器
片元着色器的目的是计算要应用到片元上的颜色或者计算片元的深度值，或者二者都计算。
#version 330 core
out vec4 color;
in vec3 v_Color;
void main()
{
color = vec4(v_Color, 1.0);
}第1行：版本声明。这里表示适用于 OpenGL 3.3以及更高版本中。
第2行：声明最终片元上的颜色值。
第3行：从顶点着色器传来的输入变量（名称相同、类型相同）。
第7行：将计算得到的颜色值输出。
着色器的编译
对于着色器程序，我们使用编译器来解析程序，检查是否存在错误，然后将它翻译为目标代码。然后，将一系列目标文件合并，并产生最终的可执行程序。
对于每个着色器对象：
1.创建着色器对象
GLunit glCreateShader(GLenum type);参数：
- type
指定着色器对象类型。必须是 GL_VERTEX_SHADER、GL_FRAGMENT_SHADER、GL_GEOMETRY_SHADER、GL_COMPUTE_SHADER等中的一个。
- 返回值：无符号整数。如果为0则说明发生了错误。
2.将着色器源代码附加到着色器对象上
void glShaderSource(GLuint shader, GLsizei count, const GLchar** string, const GLint* length);参数：
- shader
指定要替换源代码的着色器对象的句柄。
- count
指定 string 和 length 数组中元素的个数。
- string
指定一个指向字符串的指针数组，其中包含加载到着色器中的源代码。
- length
指定字符串长度的数组。
3.编译着色器源代码
void glCompileShader(GLuint shader);参数：
- shader
指定要编译的着色器对象。
对于着色器程序：
1.创建一个着色器程序
GLuint glCreateProgram(void);- 返回值：无符号整数。如果为0则说明发生了错误。
2.将着色器对象关联到着色器程序
void glAttachShader(GLuint program, GLuint shader);参数：
- program
关联到的着色器程序。
- shader
着色器对象。
着色器对象可以在任何时候关联到着色器程序，但是只有经过程序的成功链接之后，着色器对象的功能才能可用。
着色器对象可以同时关联到多个不同的着色器程序上。
3.链接着色器程序
void glLinkProgram(GLuint program);参数：
- program
指定链接的着色器程序。
5.使用着色器来处理顶点和片元
void glUseProgram(GLuint program);参数：
- program
指定要运行的着色器程序。
如果 program 为0，那么所有当前使用的着色器都会被清除。
Shader类
着色器源代码编写、编译、加载、管理都是比较麻烦的事，所以构建一个类专门处理这些事情很有必要。
Shader.h
#pragma once
#include <string>
class Shader
{
public:
/// <summary>
/// 加载源代码文件，构造着色器
/// </summary>
/// <param name="vertexPath">顶点着色器源代码文件路径</param>
/// <param name="fragmentPath">片元着色器源代码文件路径</param>
Shader(const std::string& vertexPath, const std::string &fragmentPath);
/// <summary>
/// 析构函数
/// </summary>
~Shader();
/// <summary>
/// 启用着色器程序
/// </summary>
void Bind() const;
/// <summary>
/// 取消使用着色器程序
/// </summary>
void Unbind() const;
private:
/// <summary>
/// 着色器程序ID
/// </summary>
unsigned int m_ID;
/// <summary>
/// 根据着色器源代码字符串，构建着色器对象
/// </summary>
/// <param name="vertexSource">顶点着色器源代码字符串</param>
/// <param name="fragmentSource">片元着色器源代码字符串</param>
void CreateShader(const std::string& vertexSource, const std::string& fragmentSource);
/// <summary>
/// 把着色器源代码字符串，根据指定的着色器类型，编译成着色器对象。
/// </summary>
/// <param name="type">着色器类型</param>
/// <param name="source">着色器源代码字符串</param>
/// <returns>返回着色器对象</returns>
unsigned int CompileShader(unsigned int type, const std::string& source);
};
Shader.cpp
#include "Shader.h"
#include <GL/glew.h>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>
Shader::Shader(const std::string& vertexPath, const std::string &fragmentPath) :m_ID(0)
{
// 着色器源代码字符串
std::string vertexCode;
std::string fragmentCode;
std::ifstream vertexFile;
std::ifstream fragmentFile;
// 保证ifstream对象可以抛出异常：
vertexFile.exceptions(std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
fragmentFile.exceptions(std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
try
{
// 打开文件
vertexFile.open(vertexPath);
fragmentFile.open(fragmentPath);
std::stringstream vertexStream, fragmentStream;
// 读取文件的缓冲内容到数据流中
vertexStream << vertexFile.rdbuf();
fragmentStream << fragmentFile.rdbuf();
// 关闭文件处理器
vertexFile.close();
fragmentFile.close();
// 转换数据流到string
vertexCode = vertexStream.str();
fragmentCode = fragmentStream.str();
}
catch (const std::exception&)
{
std::cout << "ERROR::SHADER::FILE_NOT_SUCCESFULLY_READ" << std::endl;
}
CreateShader(vertexCode, fragmentCode);
}
Shader::~Shader()
{
glDeleteProgram(m_ID);
}
void Shader::CreateShader(const std::string& vertexSource, const std::string& fragmentSource)
{
unsigned int vertexShader, fragmentShader;
// 顶点着色器对象
vertexShader = CompileShader(GL_VERTEX_SHADER, vertexSource);
// 片元着色器对象
fragmentShader = CompileShader(GL_FRAGMENT_SHADER, fragmentSource);
if (vertexShader > 0 || fragmentShader > 0)
{
// 创建着色器程序
m_ID = glCreateProgram();
// 关联着色器对象
if (vertexShader > 0) glAttachShader(m_ID, vertexShader);
if (fragmentShader > 0) glAttachShader(m_ID, fragmentShader);
// 链接着色器程序
glLinkProgram(m_ID);
}
// 删除着色器，它们已经链接到我们的程序中了，已经不再需要了
if (vertexShader > 0) glDeleteShader(vertexShader);
if (fragmentShader > 0) glDeleteShader(fragmentShader);
}
unsigned int Shader::CompileShader(unsigned int type, const std::string& source)
{
unsigned int shader;
// 创建着色器对象
shader = glCreateShader(type);
const char* src = source.c_str();
// 附加着色器源码
glShaderSource(shader, 1, &src, NULL);
// 编译着色器对象
glCompileShader(shader);
return shader;
}
void Shader::Bind() const
{
glUseProgram(m_ID);
}
void Shader::Unbind() const
{
glUseProgram(0);
}顶点数据
有了着色器，我们就可以把每个顶点上的颜色属性展示出来了。
// 顶点数据
float vertices[] = {
// --- position --- --- color ---
-0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 左下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // 左上角
0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, // 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f // 右下角
};因为我们添加了另一个顶点属性，并且更新了VBO的内存，我们就必须重新配置顶点属性指针。更新后的VBO内存中的数据现在看起来像这样：
// --- 位置属性 ---
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(GL_FLOAT), 0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// --- 颜色属性 ---
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(GL_FLOAT), (void*)(3 * sizeof(GL_FLOAT)));
glEnableVertexAttribArray(1);由于我们现在有了两个顶点属性，我们不得不重新计算步长值：6*sizeof(GL_FLOAT)。对于每个顶点，位置属性的偏移值不变，还是0；而颜色属性的偏移值是位置属性的字节长度，即：3*sizeof(GL_FLOAT)。
完整项目
#include <GL/glew.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <iostream>
#include "src/Shader.h"
unsigned int VBO;
unsigned int IBO;
void init() {
// 顶点数据
float vertices[] = {
// --- position --- --- color ---
-0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 左下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // 左上角
0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, // 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f // 右下角
};
// 绘制顶点的顺序
unsigned int indices[] = {
0, 1, 2, // 第一个三角形的顶点数组下标
2, 0, 3 // 第二个三角形的顶点数组下标
};
// 创建一个缓存对象名，并存储到VBO
glGenBuffers(1, &VBO);
// 将缓存对象绑定到GL_ARRAY_BUFFER
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
// 把顶点数据复制到当前绑定的缓存对象
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
// 创建一个缓存对象名，并存储到IBO
glGenBuffers(1, &IBO);
// 将缓存对象绑定到GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, IBO);
// 把顶点索引数据复制到当前绑定的缓存对象
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);
// --- 位置属性 ---
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(GL_FLOAT), 0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// --- 颜色属性 ---
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(GL_FLOAT), (void*)(3 * sizeof(GL_FLOAT)));
glEnableVertexAttribArray(1);
// 着色器
Shader shader("res/Basic.vert", "res/Basic.frag");
shader.Bind();
}
void display() {
// 绘制
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
}
void clear() {
// 删除缓存对象
glDeleteBuffers(1, &VBO);
glDeleteBuffers(1, &IBO);
}
// main
int main(void)
{
GLFWwindow* window;
/* Initialize the library */
if (!glfwInit())
return -1;
/* Create a windowed mode window and its OpenGL context */
window = glfwCreateWindow(640, 480, "Shader", NULL, NULL);
if (!window)
{
glfwTerminate();
return -1;
}
/* Make the window's context current */
glfwMakeContextCurrent(window);
// glew init
if (glewInit() != GLEW_OK) {
std::cout << "glew init error!" << std::endl;
}
// print opengl version
std::cout << "OpenGL version :" << glGetString(GL_VERSION) << std::endl;
/* init */
init();
/* Loop until the user closes the window */
while (!glfwWindowShouldClose(window))
{
/* Render here */
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
/* display */
display();
/* Swap front and back buffers */
glfwSwapBuffers(window);
/* Poll for and process events */
glfwPollEvents();
}
glfwTerminate();
/* clear */
clear();
return 0;
}运行结果：
GitHub
https://github.com/zGameDeveloper/LearnOpenGL/tree/main/Project/06_Shader