OpenGL实践3之第一个着色器程序（1）

 OpenGL实践3之第一个着色器程序（1）

DionysosLai（[e-mail]）

引言：

       本章，我们将引入着色器概念，由于内容比较多，因此分成两个部分讲解，第一个部分讲解如何创建、生成一个着色器程序。第二部分，讲解着色器基本语法并编写一个简单着色器程序。

 

准备工作：

现代Opengl渲染管线严重依赖着色器处理传入的数据。如果不使用着色器，那么OpenGL很多功能都没法实现，可能只能做到最简单的清除窗口工作。如果没有定义任何一个着色器，那么OpenGL将使用默认的顶点着色器和片段着色器（我们前面介绍的两章正是如此工作的）。OpenGL在3.1之前还包含一个固定功能管线（fixed-function pipeline），可以在没有着色器情况下处理几何和像素数据，在3.1之后，则将其删除了，因此现代OpenGL必须使用着色器工作。

       着色器是现代处理3D图形方式之一。原本在固定功能管线中的大部分3D函数，开发者只能指定一些配置参数（关照属性、旋转值等）。现在通过着色器，开发者可以自己去声明这些函数，这样使得程序更加灵活，更加创新。

       OpenGL渲染管道如下图所示：

                                                                                                    

1.    顶点着色器（vertex shader）

对于绘制命令的每一个顶点数据，首先会传入顶点着色器中进行相关处理。顶点着色器可以是非常简单，例如，只是将数据复制并传递到下一个着色器阶段，叫做传递着色器（这正是默认顶点着色器）顶点着色器也可以非常复杂，例如执行大量计算确定顶点位置。对于任何一个OpenGL程序，都必须有一个顶点着色器，当然可以不止一个，但是在同一时刻只能有一个顶点着色器。

2.    细分着色器（tessellation shader）

细分着色器是一个可选着色器。细分着色器接收来自顶点着色器数据，对其进一步处理。对细分着色器会在以后章节详细接受。

3.    几何着色器（Geometry shader）

几何着色器也是一个可选阶段。在几何着色器中，可以对图元进行更多处理。这些处理包括从输入图元中生成更多图元、更改生成图元类型或者放弃图元等操作。例如，我们本来提供图元一些列点数据，通过图元着色器，我们可以生成三角形图元（本来是生成一系列点）。几何着色器使能后，其数据来源于顶点着色器或者细分着色器。

4.    剪切、光栅化处理

剪切处理是由于一些顶点数据落在了视口外面，也就是我们绘制窗口之外，因此需要将这些顶点相关图元进行处理。这一过程，OpenGL会自动执行。

剪切之后，将最新图元传递到光栅化单元，生成对应的片元，这些片元，经过片元着色器和最后一些处理，将最终绘制在窗口上。

5.    片元着色器

片元着色器是一个必选阶段。在片元着色器中，我们将计算片元的颜色和其深度值，然后传递到管线的片元测试和混合模块。

在OpenGL的着色器，我们使用GLSL(OpenGL Shading Language)编程语言编写。GLSL非常像C/C++语言。首先我们需要编写着色器，并保证程序能用。然后编译这些文本到着色器对象中。编译成功后，我们就可以链接着色器到一个程序中，比加载到GPU。

       对于着色器创建使用，可以按照下面步骤：

1. 创建着色器对象

                  创建一个着色器对象     

                  将着色器源代码编译为对象

                  验证着色器的编译是否成功。

 

     2. 创建着色器程序

                  创建一个着色器程序

                  将着色器对象关联到着色器程序

                  链接着色器程序

                  判断着色器的链接是否成功

                  使用着色器来处理顶点和片元

 

代码实现：

      创建着色器对象：我们第一步要做的，就是创建一个正确的着色器对象。

 

         GLuintvertexShaderID = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);

        Gluint framentShaderID = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);

      首先，我们通过不同type，创建一个顶点着色器和片元着色器（如果我们要创建细分着色器，参数为GL_TESS_CONTROL_SHADER、创建几何着色器参数为GL_GEOMETRY_SHADER  ）。返回值为0，说明发生了错误

          

           /// 读取vectex shader code、关联顶点着色器

       std::ifstreamvertexShaderStream(vertex_file_path, std::ios::in);

       std::stringvertexShaderCode;

       if(vertexShaderStream.is_open())

       {

              std::stringline;

              while(getline(vertexShaderStream, line))

                     vertexShaderCode+= "\n" + line;

              vertexShaderStream.close();

       }

       else

       {

              printf("Impossibleto open %s. Are you in the right directory ? Don't forget to read the FAQ!\n", vertex_file_path);

              getchar();

              return0;

       }    

       constGLchar *vertexCodePointer = vertexShaderCode.c_str();

      glShaderSource(vertexShaderID, 1, &vertexCodePointer,NULL);

           接下来，我们要做的是关联着色器代码，这里我们关联的的是顶点着色器代码。关联着色器代码，使用函数glShaderSource()，函数原型如下：

        void glShaderSource(GLuintshader, GLsizei count, const GLchar** shring, const GLuint* length)

        string 是一个由count行GLchar 类型的字符串组成的数字，用来表示着色器的源代码数据（一般，源代码已文件形式组成，那么 count = 1）。在这里，我们的顶点着色器代码，正好一文件形式组成，因此count为1。 string中字符串可以是NULL结尾，也可以不是。 length为NULL，表示string给出的每行字符串都是NULL结尾（源代码文件形式，就是NULL结尾）， 否则length中必须有count个元素，它们分别表示string中对应行的长度。

 

           glCompileShader(vertexShaderID);

           编译着色器对象，只需要调用 glCompileShader() 函数即可。

 

       GLintsuccess;

       intinfoLogLength;

       glGetShaderiv(vertexShaderID,GL_COMPILE_STATUS, &success);

       glGetShaderiv(vertexShaderID,GL_INFO_LOG_LENGTH, &infoLogLength);

       if(infoLogLength > 0)

       {

              std::vector<char>vertexShaderErrorMessage(infoLogLength + 1);

              glGetShaderInfoLog(vertexShaderID,infoLogLength, NULL, &vertexShaderErrorMessage[0]);

              printf("%s\n",&vertexShaderErrorMessage[0]);

        }

        然而，就像我们编译C++代码一样，并不能保证一次编译通过。同样，我们在编译着色器代码时，也会经常遇到编译不通过问题。

        OpenGL提供了编译结果查询函数glGetShaderiv()， 当参数为GL_COMPILE_STATUS， 返回编译状态，当参数为 GL_INFO_LOG_LENGTH时，则返回编译信息。

        void glGetShader InfoLog(GLuintshader, GLsizei bufSize, GLsizei* length, char* infoLog)

        返回shader最后编译结果。如果length 设置为NULL， 将不会返回infoLog 的大小。

 

创建着色器程序：当着色器对象创建完毕后，我们就要生成一个着色器程序。

           GLuint programID = glCreateProgram();

           首先，我们需要创建一个着色器程序。当返回0 说明发生错误

 

        glAttachShader(programID, vertexShaderID);

        着色器程序正确创建后，我们将上述生成的顶点着色器关联到程序中（对于片段着色器，做法一样）。这个做法，就好比我们在一个makefile文件中指定了一些列要链接的对象。

       

       glLinkProgram(programID);

       当我们关联了相应的着色器对之后，我们就可以链接对象生成可执行程序了。

 

       glGetProgramiv(programID,GL_LINK_STATUS, &success);

       glGetProgramiv(programID,GL_INFO_LOG_LENGTH, &infoLogLength);

       if(infoLogLength > 0){

              std::vector<char>ProgramErrorMessage(infoLogLength + 1);

              glGetProgramInfoLog(programID,infoLogLength, NULL, &ProgramErrorMessage[0]);

              printf("%s\n",&ProgramErrorMessage[0]);

       }

       同样，跟之前编译着色器对象一样，在生成可执行程序过程中，我们可能遇到一些问题。因此我们要确保问题是否存在、问题的信息是什么。

        OpenGL 提供函数glGetProgramiv()，可以结果查询链接结果。当参数为GL_LINK_STATUS时，返回链接结果；当参数为GL_INFO_LOG_LENGTH时，返回链接信息。

        同时，OpenGL提供函数void glGetProgramInfoLog(GLuing program, GLsizeibufSize, GLsizer* length, char* infoLog) ，可以返回最后一个program链接的日记信息

      

       glValidateProgram(programID);

       当我们正确生成可执行程序后，我们要使用这个程序之前，必须使能它。这是由于生成可执行程序这一步，只不过是确保我们今后调用这个程序时，不会出现错误。但是，在一个复杂的应用中，存在多种多样的着色器和许多状态改变，因此在调用draw()函数之前，我们最好使能一个。由于我们本次例程非常简单，因此我们只需要使能一次就可以了。

       glUseProgram(programID);

       当一切都OK之后，我们就可以很happy的使用这个着色器程序了。函数glUseProgram()，可以帮助我们将链接好的着色器程序设置到管道状态中。一旦设置成功，那么在整个draw调用中，都会有效状态。除非我们替换了另一个着色器程序，或者传递NULL参数到glUseProgram()函数中，使之失效。

       到目前为止，我们如何调用着色器就讲解完毕了，下一章，我们将编写一个最简单的着色器程序。

       最后祝大家工作愉快。

［延伸阅读］：

［1］ 《OpenGL编程指南》第三版P51~P58