GLSL. Basic Function

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OpenGL Shader的运行步骤：
第一步：创建程序。我们通过以下接口创建一个Shader程序：

1	`GLuint glCreateProgram(` `void` `);`

这个函数返回一个程序对象
第二步：编译Shader。这里我们有两个shader，一个是vertex shader（顶点着色器）；一个是fragment shader（片断着色器）。
我们使用自定义的- (BOOL) compileShader:(GLuint *)shader type:(GLenum)type file:(NSString *)file方法分别对顶点着色器和片断着色器进行编译。对于OpenGL着色器创建的基本步骤而言，我们要调用的OpenGL API的接口依次是：

1	`GLuint glCreateShader(GLenum shaderType);`

这个接口用于创建一个着色器。这里的参数shaderType是个枚举值，用于指定要创建哪种类型的着色器。GL_VERTEX_SHADER表示顶点着色器；GL_TESS_CONTROL_SHADER用于细分曲面的控制阶段（流水线级，OpenGL4.1）；GL_TESS_EVALUATION_SHADER（OpenGL4.1）用于细分曲面的计算阶段；GL_GEOMETRY_SHADER用于几何着色器；GL_FRAGMENT_SHADER则用于片断处理器。这个函数的返回可看作为是一个着色器的句柄。

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void glShaderSource( GLuint shader, 
                    GLsizei count, 
                    const GLchar ** string, 
                    const GLint * length); 

这个接口用于指定着色器源代码。参数介绍：
shader：指定着色器句柄
count：用于指定第三个参数string中含有多少个const GLchar*的元素
string：源代码文本，以字符串指针的形式给出
length：分别指定string中每个子串的长度
如果length为NULL，那么OpenGL假定每个子串均以NIL（'\0'）结尾.

1	`void` `glCompileShader(GLuint shader);`

这个接口用于编译着色器代码。
我们可以通过下列两个接口来获取编译是否成功，若不成功，则获得错误信息：

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void glGetShaderiv(GLuint shader,
                   GLenum pname,
                   GLint * params);

这个接口可以用于获得编译结果信息的长度。第二个参数，我们传入GL_INFO_LOG_LENGTH，那么长度值就会被写入params所指向的地址。

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void  glGetShaderInfoLog(GLuint shader,
                        GLsizei maxLength,
                        GLsizei * length,
                        GLchar * infoLog);

这个接口用于获得具体到日志信息。
maxLength：用于指定你所提供的存放日志信息的缓存的最大长度
length：用于返回实际日志的长度
infoLog：写日志信息的缓存

这里对上面的着色器类型再补充说明一下，GL_GEOMETRY_SHADER，即几何着色器是从OpenGL 3.3开始才引入的，因此OpenGL2.1没有支持这个着色器特征。因此，我们目前只能使用顶点着色器和片断着色器。但是这两个着色器足以满足我们绝大多数的需求。而在OpenGL手册中也并不十分推荐几何着色器的使用。
另外，我们编译完着色器后必须调用glGetShaderiv接口。此时，pname要传GL_COMPILE_STATUS进去，以获得编译状态。如果得到的结果为0说明编译失败，否则为成功。

第三步：分别将顶点着色器和片断着色器关联到程序对象上：

1 2	`void` `glAttachShader( GLuint program,` `GLuint shader);`

program是我们先前创建好的程序对象；而shader则是我们创建并编译完之后的着色器对象。
第四步：绑定属性位置。

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void glBindAttribLocation(    GLuint program,
                                      GLuint index,
                                      constGLchar *name);

program:指定程序对象
index：指定要被绑定的通用顶点属性的索引
name：指定index所绑定的通用顶点属性变量名

glBindAttribLocation用于将程序中一个用户定义的属性变量与一个通用属性索引相关联。当所指定的程序对象变为当前状态的一部分时，通过通用顶点属性index提供的将会修改通过name所指定的用户自定义属性变量的值。
我们可以看一下我们这边的代码例子，以下是顶点着色器的代码：

attribute vec4 position;
attribute vec4 color;
varying vec4 colorVarying;
 
uniform floattranslate;
 
void main()
{
    gl_Position = position;
     colorVarying = color;
}

我们可以看到，这边定义了两个属性变量，一个是position，一个是color。然后再看一下主机端上绑定这两个属性变量的代码：

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// bind attribute locations
// this needs to be done prior to linking
glBindAttribLocation(program, ATTRIB_VERTEX, "position");
glBindAttribLocation(program, ATTRIB_COLOR, "color");

这里，ATTRIB_VERTEX和ATTRIB_COLOR是我们自定义的枚举值，分别是0和1。我们在后面将会看到如何通过glVertexAttribPointer将顶点数据和颜色数据分别传递给顶点着色器中的position和color

第五步：连接程序。
在我们的代码中是用- (BOOL) linkProgram:(GLuint)prog这个方法来完成连接的。
而这个方法主要调用的接口是：

1	`void` `glLinkProgram(GLuint program);`

调用完成后。我们可以通过使用以下接口对来获取连接信息：

void glGetProgramiv(    GLuint program,
                              GLenum pname,
                              GLint *params);
 
void glGetProgramInfoLog(    GLuint program,
                                     GLsizei maxLength,
                                     GLsizei *length,
                                     GLchar *infoLog);

上面这两个接口的使用与着色器的日志获取的方法一样。
最后同样再调用一次glGetProgramiv，此时pname传递的是GL_LINK_STATUS来获取连接状态。如果返回为0表示失败，否则表示成功。
在程序运行中，我们可以根据当前的OpenGL状态来查询设备端的Shader程序是否有效：

1	`void` `glValidateProgram( GLuint program);`

我们可以用与获得连接日志相同的方法来获取日志信息。

接着，我们可以获取着色器程序中uniform变量的位置：

1 2	`GLint glGetUniformLocation( GLuint program,` `constGLchar * name);`

其实我们这个代码非常简单，没有用到uniform变量。但是我们保留了一个，仅用于描述这个获取步骤，

第六步：释放着色器对象。
当我们成功地把程序构建完之后，我们先前创建的着色器对象已经没有用了，此时我们通过以下接口释放着色器对象：

1	`void` `glDeleteShader(GLuint shader);`

我们接下去就可以进行安装程序：

1	`void` `glUseProgram( GLuint program);`

这个接口用于安装指定的程序作为当前绘制上下文的一部分。

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顶点着色器取代的是OpenGL固定功能流水线中对每个顶点的变换阶段。这部分的操作包括：顶点变换（投影变换、视图模型变换）、法线变换与规格化、纹理坐标生成、纹理坐标变换、光照、颜色材质应用。
下面看一个简单的Vertex Shader的代码：

//
// Shader.vsh
// GLSLTest
attributevec4position;
attributevec4color;
varying vec4 colorVarying;
uniform mat4 translate;
void main()
{
gl_Position = position * translate; //mat4(0.816, 0.433, 0.0, 0.0, -0.5, 0.616, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, -0.5, 0.0, 0.0, 0.0, -0.5, 1.0);
colorVarying = color;
}

最上面两个attribute变量的数据是从主机端输入。attribute在后期Shader Language版本中被废弃，取而代之的是in关键字。主机端通过以下接口把相关数据与vertex shader所对应的attribute变量进行绑定：

void glBindAttribLocation( GLuint program,
GLuint index,
const GLchar * name);

program：你已经构建好的shader程序
index：自己定义的一个id，与下面的name进行绑定
name：指定顶点着色器中所要绑定的变量名
在我们的主机端程序中，与上述position变量进行绑定的代码为：
// attribute index
enum{
ATTRIB_VERTEX,
ATTRIB_COLOR,
NUM_ATTRIBUTES
};

glBindAttribLocation(program, ATTRIB_VERTEX, "position");

与color绑定的代码为：
glBindAttribLocation(program, ATTRIB_COLOR, "color");

这里要注意的是，顶点着色器是可以与主机端应用进行直接交互的。而片断着色器则不能与主机端程序进行直接交互。因此，我们可以把片断着色器所要用到的数据先通过顶点着色器输入进来，然后通过varying属性传给片断着色器（Fragment Shader）。注意，在以后版本中varying关键字也被废弃。取而代之的是在顶点着色器部分用out关键字，而在片断着色器中相应地使用in关键字。
因此，attribute不仅仅是指顶点属性，也可以是颜色属性或用户自定义的一些变量，而我们用主机端的数据与这些attribute变量绑定时，都用glBindAttribLocation这一个接口。
而我们通过以下接口把主机端的数据发送给Shader端：

void glVertexAttribPointer( GLuint index,
GLint size,
GLenum type,
GLboolean normalized,
GLsizei stride,
const GLvoid * pointer);

index：我们刚才所指定的attribute变量所绑定的id。
size：指定每个元素有多少分量，可以是1，2，3，4
type：指定数据类型
normalized：指定定点数据是否被规格化
stride：相邻两个元素之间的跨度（字节数）
pointer：指向数组首地址
下面将给出示例代码：
首先定义顶点坐标和颜色值：
   static const GLfloat squareVertices[] = {
-0.5f, -0.5f, 0.0f,
  0.5f, -0.5f, 0.0f,
-0.5f,  0.5f, 0.0f,
  0.5f,  0.5f, 0.0f
};

  static const GLubyte squareColors[] = {
  255, 255,   0, 255,
  0,   255, 255, 255,
  0,   0,   0,   0,
  255,   0, 255, 255,
};

然后，下面就是分别传送顶点坐标数据和颜色数据：
// Update attribute values
  glVertexAttribPointer(ATTRIB_VERTEX, 3, GL_FLOAT, 0, 0, squareVertices);
    glEnableVertexAttribArray(ATTRIB_VERTEX);
  glVertexAttribPointer(ATTRIB_COLOR, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, 1, 0, squareColors);
    glEnableVertexAttribArray(ATTRIB_COLOR);

uniform变量:
uniform变量与attribute类似，都是通过主机端传递到shader，而且它们都不能在Shader端被修改。但是，attribute变量数据依赖于glDrawArray等绘制函数所提供的顶点个数，并且类型不能是矩阵类型，而uniform变量类型可以非常灵活，你甚至能通过uniform block定义自己的数据结构。并且uniform变量能够在Vertex Shader端与Fragment Shader端共享，这点，attribute则做不到。attribute只能把数据传给varying变量才能在Fragment Shader端使用。

要使用uniform变量，首先在主机端对shader中所用的uniform变量进行绑定，通过以下接口：

GLint glGetUniformLocation( GLuint program,
const GLchar * name);

这里，name就是uniform变量在shader中的标识符。
返回的是指定的uniform变量在shader中的索引，可以认为是一个id。
在本示例程序中，对我们定义的uniform mat4 translate;变量所绑定的代码如下：

// uniform index
enum {
UNIFORM_TRANSLATE,
NUM_UNIFORMS
};
GLint uniforms[NUM_UNIFORMS];
// get uniform locations
uniforms[UNIFORM_TRANSLATE] = glGetUniformLocation(program, "translate");

我们然后可以通过glUniform接口把指定的数据传输到shader的uniform变量中。由于glUniform的变体非常多，这里就不一一列出，详细可参考OpenGL官网的Reference Page。
这里，将主机端的数据传递到shader的uniform的代码是：

复制代码

GLfloat transformMatrix[4 * 4] = {
1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f
};
// Update uniform value
glUniformMatrix4fv(uniforms[UNIFORM_TRANSLATE], 1, GL_FALSE, transformMatrix);

另外要强调一点的是，glUniformMatrix4fv是默认将数组以列向量的形式存放在矩阵中的，即对于四个向量——(a, b, c, d)；(e, f, g, h)；(i, j, k, l)；(m, n, o, p)，存放在一个数组中，构成——{ a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p }，那么通过调用glUniformMatrix4fv函数，并且第三个参数传递为GL_FALSE，那么获得的矩阵其实是：[a, e, i, m; b, f, j, n; c, g, k, o; d, h, l, p]。如果要将数组中的元素作为行向量传递到uniform的矩阵中，那么第三个形参transpose应该传给它GL_TRUE值。
上面要注意的是glVertexAttribPointer接口只指定attribute属性变量每个元素的长度和类型，但并没有指定元素个数。
元素个数都是通过glDrawArrays这样的绘制接口传递的。因此如果是自己自定义的attribute变量必须注意顶点个数，元素个数必须与顶点个数挂钩。

以上程序，我们是事先计算好变换矩阵，然后在顶点着色器中直接与顶点坐标值相乘。下面将提供实时计算坐标顶点的方法。

首先我们把vertex shader改成如下形式：

//
// Shader.vsh
// GLSLTest
//
// Created by Zenny Chen on 4/11/10.
// Copyright GreenGames Studio 2010. All rights reserved.
//

attribute vec4 position;
attribute vec4 color;
varying vec4 colorVarying;
uniform mat4 translate;
uniform mat4 projection;
uniform float degree;

mat4 rotation = mat4(
  0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
  0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
  0.0, 0.0, 1.0, 0.0,
  0.0, 0.0, 0.0, 1.0
);

void main()
{
  float radian = radians(degree);
//gl_Position = position * translate; //mat4(0.816, 0.433, 0.0, 0.0, -0.5, 0.616, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, -0.5, 0.0, 0.0, 0.0, -0.5, 1.0);

  mat4 transMatrix = translate;

rotation[0][0] = cos(radian);
rotation[0][1] = -sin(radian);
rotation[1][0] = sin(radian);
rotation[1][1] = cos(radian);

transMatrix = rotation * transMatrix;
transMatrix = projection * transMatrix;

gl_Position = position * transMatrix;

colorVarying = color;
}

我们可以看到，这里增加了两个uniform变量，一个用于投影变换，一个用于输入角度。另外，这里又增加了一个shader普通的全局变量rotation，并且为其初始化。
在main()函数中，我们先将输入的角度换成弧度，然后按照模型视图变换－》投影变换这一次序构成变换矩阵。最后用顶点坐标与变换矩阵相乘，获得变换后的顶点坐标值，输出给内建的gl_Position变量，这个内建属性将会被传递给光栅化阶段进行使用。

而在代码中，我们需要为添加的uniform变量进行绑定：
// uniform index
enum {
UNIFORM_TRANSLATE,
UNIFORM_PROJECTION,
UNIFORM_DEGREE,
NUM_UNIFORMS
};
GLint uniforms[NUM_UNIFORMS];

在方法中，在- (BOOL) loadShaders原来的地方添加：
// get uniform locations
uniforms[UNIFORM_TRANSLATE] = glGetUniformLocation(program, "translate");
uniforms[UNIFORM_PROJECTION] = glGetUniformLocation(program, "projection");
uniforms[UNIFORM_DEGREE] = glGetUniformLocation(program, "degree");

然后，我们再添加一个定时器相应方法：
static GLfloat degree = 0.0f;

- (void)timerFireMethod:(NSTimer*)theTimer
{
  degree += 1.0f;
  if(degree >= 360.0f)
  degree = 0.0f;

[self setNeedsDisplay:YES];
}

接着，在- (void)prepareOpenGL方法中绑定新的uniform变量：
#if 0
  my_transform(transformMatrix);

// Update uniform value
glUniformMatrix4fv(uniforms[UNIFORM_TRANSLATE], 1, GL_FALSE, transformMatrix);

#else
  GLfloat translation[4 * 4] = {
1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
// x, y, z, w
0.0f, 0.0f, -2.0f, 1.0f
};

  GLfloat projection[4 * 4] = {
1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
  0.0f, 0.0f, -0.5f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, -1.5f, 1.0f
};

  glUniformMatrix4fv(uniforms[UNIFORM_TRANSLATE], 1, GL_FALSE, translation);
  glUniformMatrix4fv(uniforms[UNIFORM_PROJECTION], 1, GL_FALSE, projection);

#endif

由于角度是在每个单位时间内变化的，因此我们在- (void)drawRect:(NSRect)dirtyRect方法中修改degree变量：
- (void)drawRect:(NSRect)dirtyRect {

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

glUniform1f(uniforms[UNIFORM_DEGREE], degree);

// Draw
glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);

glFlush();

}
参考
http://blog.csdn.net/zenny_chen/article/details/5921633

posted on 2012-02-19 15:31 情绝格调(fresmaster) 阅读(1326) 评论(0) 编辑收藏引用所属分类: Graphics

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