从零开始OpenGLES之旅－－shading language

从零开始自己在ios上开发OpenGLES之旅，先了解opengles的基础原理，之后再加入GLKit来改进编程的效率，由浅入深一步步来。

Shading Language

PART1:

前言：（REFERENCE：http://blog.csdn.net/nogodoss/article/details/27531369）

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。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：

[objc] view plain copy

1. glVertexAttribPointer(ATTRIB_VERTEX, 3, GL_FLOAT, 0, 0, squareVertices);  
2. glEnableVertexAttribArray(ATTRIB_VERTEX);  
3. //glVertexAttribPointer(ATTRIB_COLOR, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, 1, 0, squareColors);  
4. //glEnableVertexAttribArray(ATTRIB_COLOR);  
5. 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。

PART2:

（REFERENCE：http://www.cocoachina.com/bbs/read.php?tid-33995-page-1.html）

我们现在大部分人在使用OpenGL的时候用的是古老的OpenGL固定功能流水线接口。然后，现代的GPU，包括移动GPU都具有可编程特性，并且大部分都具有统一着色单元，使得OpenCL也能实现。

那么可编程的GPU能带给我们什么好处呢？
我们可以利用可编程的着色器实现局部光照，绘制更复杂的图形，实现更炫的特效等等。下面我将利用一个最最简单的例子来给出如何在Mac OS X Snow Leopard上通过XCode来创建一个OpenGL Shader的工程。

在附件中，这个工程已经能很好地工作了。这里，我们会看到一个Shaders目录。这里，我们在项目中添加这个引用时不要把它关联到你的构建目标上，即构造器不需要对它进行解析。但是要在Target中添加“拷贝文件”。方法是：在你左侧的项目管理视图中找到Targets，然后点一下三角，再点一下你的目标名左侧的小三角，将会看到Copy Bundle Resource组，将你工程中刚才引用的两个shader文件拖到Resource组的名称上，测试会出现椭圆的高亮，然后松手。我们在构建整个项目时就会把这两个Shader文件作为资源拷贝到我们的应用的Bundle中了。

下面介绍一下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：

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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：

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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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voidglShaderSource(GLuint shader,

GLsizei count,

constGLchar ** string,

constGLint * 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。

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1

voidglCompileShader(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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voidglGetShaderiv(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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voidglGetShaderInfoLog(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。
通过依次调用这些接口，我们就完成了对着色器的编译过程。

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：

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voidglAttachShader(    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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voidglBindAttribLocation(    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：

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attribute vec4 position;

attribute vec4 color;

varying vec4 colorVarying;

 

uniformfloattranslate;

 

voidmain()

{

    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：

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voidglLinkProgram(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：

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voidglGetProgramiv(    GLuint program,

     GLenum pname,

     GLint *params);

 

voidglGetProgramInfoLog(    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：

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1

voidglValidateProgram(    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：

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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，呵呵。

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：

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voidglDeleteShader(GLuint shader);

我们接下去就可以进行安装程序：

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voidglUseProgram(    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。