Apple's OpenGL——Vertex Shader基础

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前言：

Apple's OpenGL系列与“深入了解OpenGL”系列分开，意在想把一些基础性的东西能说明得更透彻。“深入了解OpenGL”系列主要讲述OpenGL基础性架构以及基于OpenGL的图形处理流水线和一些常用的绘图方法。
“Apple's OpenGL”系列将讲解更现代化的OpenGL使用方式——利用目前现代GPU的可编程单元对OpenGL流水线的某些阶段以编程的方式进行实现。
OpenGL3.3以及更高版本将OpenGL本来与顶点着色器（Vertex Shader）和片断着色器（Fragment Shader）所对应的固定功能流水线部分的接口全都剔除掉了，取而代之的是这些着色器配置相关的接口。
OpenGL3.3又添加了几何着色器（Geometry Shader）。
目前最新的OpenGL4.1又添加了Tessellation（细分曲面），这里又有几个着色器被添加进去。
OpenGL在最近两年里发展迅猛，一下子就从3.3跳到了4.1。
我们目前所使用的OpenGL Shading Language的版本是1.20。


好。下面我们将切入正题。之前在这个贴中描述了如何创建创建着色器，并且对它们进行编译、构建、连接，以及如何把着色器源代码加入到应用的资源中。
这里，我们将正式对着色器进行讲解。
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
//
//  Created by Zenny Chen on 4/11/10.
//  Copyright GreenGames Studio 2010. All rights reserved.
//


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：

复制代码

1. 
   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：

复制代码

1. 
   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);



下面附赠完整的工程。

OpenGL3_2.zip包是OS X Lion（10.7）下，对OpenGL 3.2 Core Profile的基本使用样例。

下面谈谈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：

复制代码

1. 
   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：

复制代码

1. 
   // 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

1. 
       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();

}
于是，我们就能看到一个旋转的正方形。

最后把着色器的编程模型再强调一下。
Shader与OpenCL的编程模型类似，都是采用SPMD（Single Program Multiple Data，即单程序多数据）的方式执行的。也就是说同一个程序对多个数据进行操作。
就拿上面4楼的顶点着色器而言，一个Shader.vsh源代码中的程序main()对我们在主机端定义的正方形的每个顶点进行执行。我们看到一个attribute变量position，你可以认为你的GPU有足够多的核心，使得对每个传进来的position（即顶点坐标值）调用同一个main函数，并且并发执行。这样，每个attribute变量（以后版本是in变量）、varying变量（以后版本是out变量）还有我们自定义的全局数据rotation都是每个顶点私有的。你可以认为rotation变量为每个顶点的操作分配相应的空间并做相同的初始化。而只有uniform变量是所有顶点共享的，它们的值对于每个顶点而言都是相同的——因为在做顶点变换操作时，uniform变量不能被修改，而它只能在主机端，在调glDrawArray等绘制接口前被修改。
当然，对于某些GPU的实现而言可能会与上述描述的过程有些出入，但是概念上用SPMD来理解更方便些。

我们看到在默认情况下，顶点的着色模型是GL_SMOOTH。在OpenGL2.1中尚能用glShadeMode()来设定着色模式，但是在iOS的OpenGL ES2.0中就不能设了。这个时候，我们可以通过采用单色来填充多边形：

    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);    glVertexAttrib4f(ATTRIB_COLOR, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

我们看到上述代码，将原来的颜色数组换成了单个颜色值（红色）。由于此颜色将作用于所有顶点，这样，我们就能看到一个红色的矩形了。