著色器語言GLSL

關(guān)于著色器

著色器是用來實(shí)現(xiàn)圖像渲染的，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，可以實(shí)現(xiàn)3D圖形學(xué)計(jì)算中的相關(guān)計(jì)算，由于其可編程性，可以實(shí)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)。

在OpenGLES中著色器分為頂點(diǎn)著色器和片元著色器，我們可以理解為：頂點(diǎn)著色器是針對每個頂點(diǎn)執(zhí)行一次，用于確定頂點(diǎn)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，用于確定每個片元（像素）的顏色。

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(yīng)用廣泛的C語言。與傳統(tǒng)的C語言不同的是，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、矩陣之類。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。
  • 它完美的支持向量和矩陣操作。
  • 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(kuò)展功能。

在前面的博客示例中，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)，在后面使用光照、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)。

著色器語言基礎(chǔ)

GLSL雖然是基于C/C++的語言，但是它和C/C++還是有很大的不同的，比如在GLSL中沒有double、long等類型，沒有union、enum、unsigned以及位運(yùn)算等特性。

數(shù)據(jù)類型

GLSL中的數(shù)據(jù)類型主要分為標(biāo)量、向量、矩陣、采樣器、結(jié)構(gòu)體、數(shù)組、空類型七種類型：

  • 標(biāo)量：標(biāo)量表示的是只有大小沒有方向的量，在GLSL中標(biāo)量只有bool、int和float三種。對于int，和C一樣，可以寫為十進(jìn)制（16）、八進(jìn)制（020）或者十六進(jìn)制（0x10）。關(guān)于進(jìn)制不了解的，得自己補(bǔ)補(bǔ)，這是編程基礎(chǔ)。對于標(biāo)量的運(yùn)算，我們最需要注意的是精度，防止溢出問題。

  • 向量：向量我們可以看做是數(shù)組，在GLSL通常用于儲存顏色、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，針對維數(shù)，可分為二維、三維和四位向量。針對存儲的標(biāo)量類型，可以分為bool、int和float。共有vec2、vec3、vec4，ivec2、ivec3、ivec4、bvec2、bvec3和bvec4九種類型，數(shù)組代表維數(shù)、i表示int類型、b表示bool類型。需要注意的是，GLSL中的向量表示豎向量，所以與矩陣相乘進(jìn)行變換時，矩陣在前，向量在后（與DirectX正好相反）。向量在GPU中由硬件支持運(yùn)算，比CPU快的多。

    1. 作為顏色向量時，用rgba表示分量，就如同取數(shù)組的中具體數(shù)據(jù)的索引值。三維顏色向量就用rgb表示分量。比如對于顏色向量vec4 color，color[0]和color.r都表示color向量的第一個值，也就是紅色的分量。其他相同。
    2. 作為位置向量時，用xyzw表示分量，xyz分別表示xyz坐標(biāo)，w表示向量的模。三維坐標(biāo)向量為xyz表示分量，二維向量為xy表示分量。
    3. 作為紋理向量時，用stpq表示分量，三維用stp表示分量，二維用st表示分量。

  • 矩陣：在GLSL中矩陣擁有2*2、3*3、4*4三種類型的矩陣，分別用mat2、mat3、mat4表示。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。

  • 采樣器：采樣器是專門用來對紋理進(jìn)行采樣工作的，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。所謂的紋理貼圖可以理解為我們看到的物體上的皮膚。

  • 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，關(guān)于結(jié)構(gòu)體參考C語言中的結(jié)構(gòu)體。

  • 數(shù)組：數(shù)組知識也和C中相同，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，還是指定大小的好。

  • 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)。

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(dāng)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(dāng)于mat2(0.8,0.8,0.8,0.8)
mat3 k=mat3(e,e,1.2,1.6,1.8);

運(yùn)算符

GLSL中的運(yùn)算符有（越靠前，運(yùn)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：~，！
4. 加法和減法：+，-
5. 等于和不等于：==，！=
6. 邏輯異或：^^
7. 三元運(yùn)算符號，選擇：？:
8. 成員選擇與混合：.
9. 后綴自加和自減：++，–
10. 乘法和除法：，/
11. 關(guān)系運(yùn)算符：>，<，=，>=，<=，<>
12. 邏輯與：&&
13. 邏輯或：||
14. 賦值預(yù)算：=，+=，-=，=，/=

類型轉(zhuǎn)換

GLSL的類型轉(zhuǎn)換與C不同。在GLSL中類型不可以自動提升，比如float a=1;就是一種錯誤的寫法，必須嚴(yán)格的寫成float a=1.0，也不可以強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，即float a=(float)1;也是錯誤的寫法，但是可以用內(nèi)置函數(shù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如float a=float(1);還有float a=float(true);（true為1.0，false為0.0）等，值得注意的是，低精度的int不能轉(zhuǎn)換為低精度的float。。

限定符

在之前的博客中也提到了，GLSL中的限定符號主要有：

  • attritude：一般用于各個頂點(diǎn)各不相同的量。如頂點(diǎn)顏色、坐標(biāo)等。
  • uniform：一般用于對于3D物體中所有頂點(diǎn)都相同的量。比如光源位置，統(tǒng)一變換矩陣等。
  • varying：表示易變量，一般用于頂點(diǎn)著色器傳遞到片元著色器的量。
  • const：常量。

限定符與java限定符類似，放在變量類型之前，并且只能用于全局變量。在GLSL中，沒有默認(rèn)限定符一說。

流程控制

GLSL中的流程控制與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。函數(shù)的返回值可以是GLSL中的除了采樣器的任意類型。對于GLSL中函數(shù)的參數(shù)，可以用參數(shù)用途修飾符來進(jìn)行修飾，常用修飾符如下：

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

浮點(diǎn)精度

與頂點(diǎn)著色器不同的是，在片元著色器中使用浮點(diǎn)型時，必須指定浮點(diǎn)類型的精度，否則編譯會報(bào)錯。精度有三種，分別為：

  • lowp：低精度。8位。
  • mediump：中精度。10位。
  • highp：高精度。16位。

具體如下表：

精度 浮點(diǎn)范圍 浮點(diǎn)量級 浮點(diǎn)精度 整數(shù)范圍
highp (?262, 262) (2-62, 262) 相對：( 2-16) (?216, 216)
mediump (?214, 214) (2-14, 214) 相對：( 2-10) (?210, 210)
lowp (?2,2) (2-8, 22) 相對：( 2-8) (?28, 28)

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，但是int、采樣器類型并不一定要求指定精度。加精度的定義如下：

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

當(dāng)然，也可以在片元著色器中設(shè)置默認(rèn)精度，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(rèn)精度。其他情況相同的話，精度越高，畫質(zhì)越好，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，我們對著色器的程序結(jié)構(gòu)也應(yīng)該有一定的了解。也許一直沉浸在Android應(yīng)用開發(fā)，沒有了解C開發(fā)的朋友，對這種結(jié)構(gòu)并不熟悉。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)，可以在其上定義函數(shù)和變量，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，定義在函數(shù)體內(nèi)的叫做局部變量。與高級語言不通的是，變量和函數(shù)在使用前必須聲明，不能再使用的后面聲明變量或者函數(shù)。

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，不聲明也可以使用。這些變量叫做內(nèi)建變量。內(nèi)建變量，相當(dāng)于著色器硬件的輸入和輸出點(diǎn)，使用者利用這些輸入點(diǎn)輸入之后，就會看到屏幕上的輸出。通過輸出點(diǎn)可以知道輸出的某些數(shù)據(jù)內(nèi)容。當(dāng)然，實(shí)際上肯定不會這樣簡單，這么說只是為了幫助理解。在頂點(diǎn)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，在此，我們只列出最常用的集中內(nèi)建變量。

頂點(diǎn)著色器的內(nèi)建變量

  1. 輸入變量：

    • gl_Position：頂點(diǎn)坐標(biāo)
    • gl_PointSize：點(diǎn)的大小，沒有賦值則為默認(rèn)值1，通常設(shè)置繪圖為點(diǎn)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(dāng)前片元相對窗口位置所處的坐標(biāo)。
    • gl_FragFacing：bool型，表示是否為屬于光柵化生成此片元的對應(yīng)圖元的正面。

  2. 輸出變量

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

內(nèi)建變量更詳細(xì)的說明可以參考OpenGL ES著色器語言之內(nèi)建變量

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)，傳入值為弧度。相同的還有cos余弦函數(shù)、tan正切函數(shù)、asin反正弦、acos反余弦、atan反正切
  • pow(x,y)：x^y
  • exp(x)：ex
  • exp2(x)：2x
  • log(x)：logex
  • log2(x)：log2x
  • sqrt(x)：\sqrt{x}
  • inversesqr(x)：\frac{1}{\sqrt{x}}
  • abs(x)：取x的絕對值
  • sign(x)：x>0返回1.0，x<0返回-1.0，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x(1-a)+ya
  • 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，a>y返回1.0，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(dǎo)數(shù)
  • dFdy(p)：p在y方向上的偏導(dǎo)數(shù)
  • fwidth(p)：p在x和y方向上的偏導(dǎo)數(shù)的絕對值之和

幾何函數(shù)

  • length(x)：計(jì)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(diǎn)積
  • cross(x,y)：返回向量xy的差積
  • normalize(x)：返回與x向量方向相同，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，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，則為true
  • all(bvec x)：x所有元素為true，則返回true，否則返回false
  • not(bvec x)：x所有分量執(zhí)行邏輯非運(yùn)算

紋理采樣函數(shù)

紋理采樣函數(shù)有texture2D、texture2DProj、texture2DLod、texture2DProjLod、textureCube、textureCubeLod及texture3D、texture3DProj、texture3DLod、texture3DProjLod等。

  • texture表示紋理采樣，2D表示對2D紋理采樣，3D表示對3D紋理采樣
  • Lod后綴，只適用于頂點(diǎn)著色器采樣
  • Proj表示紋理坐標(biāo)st會除以q

紋理采樣函數(shù)中，3D在OpenGLES2.0并不是絕對支持。我們再次暫時不管3D紋理采樣函數(shù)。重點(diǎn)只對texture2D函數(shù)進(jìn)行說明。texture2D擁有三個參數(shù)，第一個參數(shù)表示紋理采樣器。第二個參數(shù)表示紋理坐標(biāo)，可以是二維、三維、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，且只對采樣器為mipmap類型紋理時有效。

小結(jié)

到這里，關(guān)于著色器語言GLSL就大致介紹完了，相對Java來說，GLSL語言不知簡單了多少倍。結(jié)合之前博客的案例，相信我們也能夠?qū)懸恍┖唵蔚闹髁?。在后續(xù)的博客中，我們將會學(xué)習(xí)紋理、光照、混合與霧、圖像處理等內(nèi)容，將會頻繁的用到著色器語言，在使用的過程中，我們才能更好的掌握GLSL。

本文以湖廣午王的博客為基礎(chǔ)修改而來

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
【社區(qū)內(nèi)容提示】社區(qū)部分內(nèi)容疑似由AI輔助生成，瀏覽時請結(jié)合常識與多方信息審慎甄別。
平臺聲明：文章內(nèi)容（如有圖片或視頻亦包括在內(nèi)）由作者上傳并發(fā)布，文章內(nèi)容僅代表作者本人觀點(diǎn)，簡書系信息發(fā)布平臺，僅提供信息存儲服務(wù)。

相關(guān)閱讀更多精彩內(nèi)容

友情鏈接更多精彩內(nèi)容