Android OpenGL ES 開發（八）: OpenGL ES 着色器語言GLSL

前面的文章主要是整理的Android 官方文檔對OpenGL ES支持的介紹。通過之前的文章，我們基本上可以完成的基本的形狀的繪制。

這是本人做的整理筆記： https://github.com/renhui/OpenGLES20Study

目前到這里第一階段的學習，也就是基本的圖形繪制，基本的交互的實現。

• 平面繪制：三角形、正方形、在相機視角下的三角形、彩色三角形
• 立體繪制：正方體、圓柱體、圓錐體、球體
• 基本交互：手繪點、旋轉三角形

知道了基本的圖形繪制，也知道了基本的交互的實現，現在可能大多數人還是對整個實現的流程有點懵，最主要的地方可能就是對頂點着色器和片元着色器了。前面的使用過程中，我們大概也對着色器語言有一定的了解了，但是在前面我們使用的着色器代碼還是很簡單的，做的事情也是很有限的，后面的開發過程中，我們用到的着色器會越來越復雜，So，這里我們想一下着色器語言GLSL。

我們知道，在OpenGL ES中着色器分為頂點着色器和片元着色器。頂點着色器是針對每個頂點執行一次，用於確定頂點的位置。片元着色器是針對每個片元，片元我們可以理解為每個像素，用於確定每個片元（像素）的顏色。

一、GLSL 簡介

GLSL又叫OpenGL着色語言（OpenGL Shading Language），是用來在OpenGL中着色編程的語言，是一種面向過程的語言，基本的語法和C/C++基本相同，他們是在圖形卡的GPU （Graphic Processor Unit圖形處理單元）上執行的，代替了固定的渲染管線的一部分，使渲染管線中不同層次具有可編程性。比如：視圖轉換、投影轉換等。GLSL（GL Shading Language）的着色器代碼分成2個部分：Vertex Shader（頂點着色器）和Fragment（片斷着色器）。

在前面的學習中，我們基本上使用的都是非常簡單的着色器，基本上沒有使用過GLSL的內置函數，但是在后面我們完成其他的功能的時候應該就會用到這些內置函數了。

二、GLSL 基礎

GLSL 雖然很類似於C/C++，但是它和C/C++還是有很大的不同的，比如，沒有double，long等類型，沒有union、enum、unsigned以及位運算等特性。

基本數據類型

GLSL中的數據類型主要分為標量、向量、矩陣、采樣器、結構體、數組、空類型七種類型：

1. 標量：

標量表示的是只有大小沒有方向的量，在GLSL中標量只有bool、int和float三種。對於int，和C一樣，可以寫為十進制（16）、八進制（020）或者十六進制（0x10）。對於標量的運算，我們最需要注意的是精度，防止溢出問題。

2. 向量：

向量我們可以看做是數組，在GLSL通常用於儲存顏色、坐標等數據，針對維數，可分為二維、三維和四位向量。針對存儲的標量類型，可以分為bool、int和float。共有vec2、vec3、vec4，ivec2、ivec3、ivec4、bvec2、bvec3和bvec4九種類型，數組代表維數、i表示int類型、b表示bool類型。需要注意的是，GLSL中的向量表示豎向量，所以與矩陣相乘進行變換時，矩陣在前，向量在后（與DirectX正好相反）。向量在GPU中由硬件支持運算，比CPU快的多。

• 作為顏色向量時，用rgba表示分量，就如同取數組的中具體數據的索引值。三維顏色向量就用rgb表示分量。比如對於顏色向量vec4 color，color[0]和color.r都表示color向量的第一個值，也就是紅色的分量。其他相同。
• 作為位置向量時，用xyzw表示分量，xyz分別表示xyz坐標，w表示向量的模。三維坐標向量為xyz表示分量，二維向量為xy表示分量。
• 作為紋理向量時，用stpq表示分量，三維用stp表示分量，二維用st表示分量。

3. 矩陣：

在GLSL中矩陣擁有22、33、4*4三種類型的矩陣，分別用mat2、mat3、mat4表示。我們可以把矩陣看做是一個二維數組，也可以用二維數組下表的方式取里面具體位置的值。

4.采樣器：

采樣器是專門用來對紋理進行采樣工作的，在GLSL中一般來說，一個采樣器變量表示一副或者一套紋理貼圖。所謂的紋理貼圖可以理解為我們看到的物體上的皮膚。

5.結構體：

和C語言中的結構體相同，用struct來定義結構體，關於結構體參考C語言中的結構體。

6.數組：

數組知識也和C中相同，不同的是數組聲明時可以不指定大小，但是建議在不必要的情況下，還是指定大小的好。

7.空類型：

空類型用void表示，僅用來聲明不返回任何值得函數。

數據聲明示例：

float a=1.0;
int b=1;
bool c=true;
vec2 d=vec2(1.0,2.0);
vec3 e=vec3(1.0,2.0,3.0)
vec4 f=vec4(vec3,1.2);
vec4 g=vec4(0.2);  //相當於vec(0.2,0.2,0.2,0.2)
vec4 h=vec4(a,a,1.3,a);
mat2 i=mat2(0.1,0.5,1.2,2.4);
mat2 j=mat2(0.8);   //相當於mat2(0.8,0.8,0.8,0.8)
mat3 k=mat3(e,e,1.2,1.6,1.8);

運算符

GLSL中的運算符有（越靠前，運算優先級越高）：

1. 索引：[]
2. 前綴自加和自減：++，–
3. 一元非和邏輯非：~，！
4. 加法和減法：+，-
5. 等於和不等於：==，！=
6. 邏輯異或：^^
7. 三元運算符號，選擇：？:
8. 成員選擇與混合：.
9. 后綴自加和自減：++，–
10. 乘法和除法：*，/
11. 關系運算符：>，<，=，>=，<=，<>
12. 邏輯與：&&
13. 邏輯或：||
14. 賦值預算：=，+=，-=，*=，/=

類型轉換

GLSL的類型轉換與C不同。在GLSL中類型不可以自動提升，比如float a=1;就是一種錯誤的寫法，必須嚴格的寫成float a=1.0，也不可以強制轉換，即float a=(float)1;也是錯誤的寫法，但是可以用內置函數來進行轉換，如float a=float(1);還有float a=float(true);（true為1.0，false為0.0）等，值得注意的是，低精度的int不能轉換為低精度的float。

限定符

在之前的博客中也提到了，GLSL中的限定符號主要有：

• attritude：一般用於各個頂點各不相同的量。如頂點顏色、坐標等。
• uniform：一般用於對於3D物體中所有頂點都相同的量。比如光源位置，統一變換矩陣等。
• varying：表示易變量，一般用於頂點着色器傳遞到片元着色器的量。
• const：常量。
  限定符與java限定符類似，放在變量類型之前，並且只能用於全局變量。在GLSL中，沒有默認限定符一說。

流程控制

GLSL中的流程控制與C中基本相同，主要有：

• if(){}、if(){}else{}、if(){}else if(){}else{}
• while(){}和do{}while()
• for(;😉{}
• break和continue

函數

GLSL中也可以定義函數，定義函數的方式也與C語言基本相同。函數的返回值可以是GLSL中的除了采樣器的任意類型。對於GLSL中函數的參數，可以用參數用途修飾符來進行修飾，常用修飾符如下：

• in：輸入參數，無修飾符時默認為此修飾符。
• out：輸出參數。
• inout：既可以作為輸入參數，又可以作為輸出參數。

浮點精度

與頂點着色器不同的是，在片元着色器中使用浮點型時，必須指定浮點類型的精度，否則編譯會報錯。精度有三種，分別為：

• lowp：低精度。8位。
• mediump：中精度。10位。
• highp：高精度。16位。

不僅僅是float可以制定精度，其他（除了bool相關）類型也同樣可以，但是int、采樣器類型並不一定要求指定精度。加精度的定義如下：

uniform lowp float a=1.0;
varying mediump vec4 c;

當然，也可以在片元着色器中設置默認精度，只需要在片元着色器最上面加上precision <精度> <類型>即可制定某種類型的默認精度。其他情況相同的話，精度越高，畫質越好，使用的資源也越多。

程序結構

前面幾篇博客都有使用到着色器，我們對着色器的程序結構也應該有一定的了解。也許一直沉浸在Android應用開發，沒有了解C開發的朋友，對這種結構並不熟悉。GLSL程序的結構和C語言差不多，main()方法表示入口函數，可以在其上定義函數和變量，在main中可以引用這些變量和函數。定義在函數體以外的叫做全局變量，定義在函數體內的叫做局部變量。與高級語言不通的是，變量和函數在使用前必須聲明，不能再使用的后面聲明變量或者函數。

GLSL 內建變量

在着色器中我們一般都會聲明變量來在程序中使用，但是着色器中還有一些特殊的變量，不聲明也可以使用。這些變量叫做內建變量。內建變量，相當於着色器硬件的輸入和輸出點，使用者利用這些輸入點輸入之后，就會看到屏幕上的輸出。通過輸出點可以知道輸出的某些數據內容。當然，實際上肯定不會這樣簡單，這么說只是為了幫助理解。在頂點着色器中的內建變量和片元着色器的內建變量是不相同的。着色器中的內建變量有很多，在此，我們只列出最常用的集中內建變量。

頂點着色器的內建變量

輸入變量：

• gl_Position：頂點坐標
• gl_PointSize：點的大小，沒有賦值則為默認值1，通常設置繪圖為點繪制才有意義。\

片元着色器的內建變量

輸入變量:

• gl_FragCoord：當前片元相對窗口位置所處的坐標。
• gl_FragFacing：bool型，表示是否為屬於光柵化生成此片元的對應圖元的正面。
  輸出變量:
• gl_FragColor：當前片元顏色
• gl_FragData：vec4類型的數組。向其寫入的信息，供渲染管線的后繼過程使用。

常用內置函數

常見函數

• radians(x)：角度轉弧度
• degrees(x)：弧度轉角度
• sin(x)：正弦函數，傳入值為弧度。相同的還有cos余弦函數、tan正切函數、asin反正弦、acos反余弦、atan反正切
• pow(x,y)：xy
• exp(x)：ex
• exp2(x)：2x
• log(x)：logex
• log2(x)：log2x
• sqrt(x)：x√
• inversesqr(x)：1x√
• abs(x)：取x的絕對值
• sign(x)：x>0返回1.0，x<0返回-1.0，否則返回0.0
• ceil(x)：返回大於或者等於x的整數
• floor(x)：返回小於或者等於x的整數
• fract(x)：返回x-floor(x)的值
• mod(x,y)：取模（求余）
• min(x,y)：獲取xy中小的那個
• max(x,y)：獲取xy中大的那個
• mix(x,y,a)：返回x∗(1−a)+y∗a
• step(x,a)：x< a返回0.0，否則返回1.0
• smoothstep(x,y,a)：a < x返回0.0，a>y返回1.0，否則返回0.0-1.0之間平滑的Hermite插值。
• dFdx(p)：p在x方向上的偏導數
• dFdy(p)：p在y方向上的偏導數
• fwidth(p)：p在x和y方向上的偏導數的絕對值之和

幾何函數

• length(x)：計算向量x的長度
• distance(x,y)：返回向量xy之間的距離
• dot(x,y)：返回向量xy的點積
• cross(x,y)：返回向量xy的差積
• normalize(x)：返回與x向量方向相同，長度為1的向量

矩陣函數

• matrixCompMult(x,y)：將矩陣相乘
• lessThan(x,y)：返回向量xy的各個分量執行x< y的結果，類似的有greaterThan,equal,notEqual
• lessThanEqual(x,y)：返回向量xy的各個分量執行x<= y的結果，類似的有類似的有greaterThanEqual
• any(bvec x)：x有一個元素為true，則為true
• all(bvec x)：x所有元素為true，則返回true，否則返回false
• not(bvec x)：x所有分量執行邏輯非運算

紋理采樣函數

紋理采樣函數有texture2D、texture2DProj、texture2DLod、texture2DProjLod、textureCube、textureCubeLod及texture3D、texture3DProj、texture3DLod、texture3DProjLod等。

• texture表示紋理采樣，2D表示對2D紋理采樣，3D表示對3D紋理采樣
• Lod后綴，只適用於頂點着色器采樣
• Proj表示紋理坐標st會除以q

紋理采樣函數中，3D在OpenGLES2.0並不是絕對支持。我們再次暫時不管3D紋理采樣函數。重點只對texture2D函數進行說明。texture2D擁有三個參數，第一個參數表示紋理采樣器。第二個參數表示紋理坐標，可以是二維、三維、或者四維。第三個參數加入后只能在片元着色器中調用，且只對采樣器為mipmap類型紋理時有效。