A Simple OpenGL Shader Example II
eryar@163.com
Abstract. The OpenGL Shading Language syntax comes from the C family of programming languages. Tokes, identifiers, semicolons, nesting with curly braces, control-flow, and many key words look like C. GLSL provides three qualifiers which form the interfaces of the shaders to their outside world.
Key Words. OpenGL, GLSL, Qualifiers,
1. Introduction
GLSL的特性与C/C++非常类似，包括它的数据类型。GLSL有三种基本数据类型：float, int和bool，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。
GLSL中有4个限定符（Qualifier）可供使用，它们限定了被标记的变量不能被更改的“范围”。及通过这几个限定符可以与OpenGL的程序来通信，即为OpenGL程序提供了一个将数据传递给Shader的界面（Interface to a Shader）。
OpenCASCADE中使用GLSL实现了Ray Tracing效果，刚开始使用第三方库OpenCL来使用GPU加速，最新版本统一使用GLSL。
Figure 1.1 OpenGL Training
在《OpenGL高级编程技术培训教材》中，GLSL也是一个重要内容。虽然当时听得云里雾里，还是要感谢公司提供这样的培训机会。
2.GLSL Data Types
GLSL内置了许多数据类型，使图形操作的表达式计算更方便。布尔类型、整型、矩阵、向量及结构、数组等都包括在内。Scalars |
float | Declares a single floating-point number. |
int | Declares a single integer number. |
bool | Declares a single Boolean number. |
这三种是GLSL的基本类型。
Vectors |
vec2 | Vector of two floating-point numbers |
vec3 | Vector of three floating-point numbers |
vec4 | Vector of four floating-point numbers |
ivec2 | Vector of two integers |
ivec3 | Vector of three integers |
ivec4 | Vector of four integers |
bvec2 | Vector of two booleans |
bvc3 | Vector of three booleans |
bvc4 | Vector of four booleans |
向量非常有用，可以用来存储和操作颜色、位置、纹理坐标等等。GLSL内置的很多变量及函数中就大量使用了向量。
Matrices |
mat2 | 2x2 matrix of floating-point numbers |
mat3 | 3x3 matrix of floating-point numbers |
mat4 | 4x4 matrix of floating-point numbers |
矩阵主要用来实现线性变换。
Samplers |
sampler1D | Accesses a one-dimensional texture |
sampler2D | Accesses a two-dimensional texture |
sampler3D | Accesses a three-dimensional texture |
samplerCube | Accesses a cube-map texture |
sampler1DShadow | Accesses a one-dimensional depth texture with comparison |
sampler2DShadow | Accesses a two-dimensional depth texture with comparison |
3.Qualifiers
GLSL有4个限定符可供使用，它们限定了被标记的变量不能被更改的范围：
Qualifiers |
attribute | For frequently changing information, from the application to a vertex shader |
uniform | For infrequently changing information, from the application to either a vertex shader or a fragment shader |
varying | For interpolated information passed from a vertex shader to a fragment shader |
const | For declaring nonwritable, compile-time constant variables as in C |
const限定符和C/C++里的相同，表示限定的变量在编译时不可被修改，即它标记了一个常量。const限定符是4个限定符中被标记变量不可被更改的范围最大的。其余3个限定符是GLSL特有的，所以它们都用在着色器内部声明变量。
attribute限定符标记的是一种全局变量，该变量被用作从OpenGL应用程序向顶点着色器中传递参数，因此该限定符仅用于顶点着色器。
uniform限定符也标也一种全局变量，该变量对于一个图元来说是不可改变的。同attribute限定符一样，uniform可以从OpenGL应用程序中接收传递过来的数据。uniform限定符可以用于顶点着色器和像素着色器。
最后GLSL还提供了从顶点着色器向片段着色器传递数据的方法，即使用varying限定符。
4.Code Example
在《A Simple OpenGL Shader Example》中已经成功实现了一个带Shader的OpenGL程序。事实上这是两个相对独立的Shader，它们只能使用OpenGL内置的变量从外部OpenGL程序中获取一些数据。比如当前顶点坐标、当前像素颜色等。这些Shader还没有自定义的变量，以便从OpenGL程序中传递数据。通常程序的设计者需要在OpenGL程序中更好地控制shader的行为，这就需要从OpenGL程序向shader传递数据。
如上述的4个限定符，可以用来声明变量帮助shader从外部获取数据。其中uniform变量可以用来从OpenGL程序中给vertex shader或fragment shader传递数据，最很常用的一个限定符变量。将《A Simple OpenGL Shader Example》中的程序稍做修改，使得片段shader可以收到一个来自OpenGL程序里面的数据。
实现的主要代码在这两个函数中：
void ShaderWidget::paintGL()
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
mAngle += 0.1;
glRotatef(mAngle, 0.0, 1.0, 1.0);
// update uniform variable value
mShaderProgram->setUniformValue(mTimeId, mAngle);
glutSolidTeapot(1.0);
//glutWireTeapot(1.0);
}
void ShaderWidget::setShader()
{
if (!isValid())
{
return;
}
const QGLContext* aGlContext = context();
mShaderProgram = new QGLShaderProgram(aGlContext);
//mShaderProgram->addShaderFromSourceFile(QGLShader::Vertex, "vertex.vs");
mShaderProgram->addShaderFromSourceFile(QGLShader::Fragment, "uniform.fs");
mShaderProgram->link();
mShaderProgram->bind();
QString aLog = mShaderProgram->log();
// save the location of the uniform variable name within the shader program.
mTimeId = mShaderProgram->uniformLocation("v_time");
}
首先通过QShaderProgram的函数uniformLocation()给GLSL中的变量用一个整数标记，对应在OpenGL中的函数是 GLint glGetUniformLocation(GLuint program, const char* name)；再通过函数setUniformValue()来更新GLSL中变量的值，对应OpenGL中的函数为：glUniform{1234}(if,ui}。最后只用了一个片段着色器，代码如下所示：
// time(passed in from the application)
uniform float v_time;
void main()
{
float fr = 0.9 * sin(0.0 + v_time*0.05) + 1.0;
float fg = 0.9 * cos(0.33 + v_time*0.05) + 1.0;
float fb = 0.9 * sin(0.67 + v_time*0.05) + 1.0;
gl_FragColor = vec4(fr/2.0, fg/2.0, fb/2.0, 1.0);
}
运行程序，当程序视图重绘时就会改变茶壶的颜色，如下图所示：
Figure 4.1 Test uniform variable in GLSL
当将uniform.fs中的v_time改名后，就会发现视图一片漆黑，说明shader已经起作用了。
5.Conclusion
综上所述，GLSL中通过限定符Qualifiers来实现OpenGL程序与GLSL的数据传递。其中uniform变量可以用来从OpenGL程序向片段着色器和顶点传递数据，是很常用的一种方式。
本文在Qt中测试了uniform变量效果，可以发现Qt对OpenGL的面向对象封装还是很方便使用，也很容易找到与之对应的OpenGL函数。通过学习使用Qt中的OpenGL来方便学习理解OpenGL相关知识点。
6. References
1. san. Shader support in OCCT6.7.0. http://dev.opencascade.org/index.php?q=node/902
2. Qt Assistant.