深入了解OpenGL Shader

一、Shader初探

OpenGL的渲染管线在早期是固定的功能，无法对渲染流程中的某个阶段做任意定制，因此必须了解一份庞大的文档来了解渲染效果。直到OpenGL 2.0之后，添加了可编程渲染管线（Programmable Pipeline）的概念。Programmable Pipeline包含着两个关键功能：Shader和Buffer Object。Shader可以编写出一份针对某个渲染阶段的程序代码，在管线中运行，以优化渲染效果。Buffer Object则是更高效的内存操作方式，可以允许程序将大量的数据从CPU传到GPU。

Shader是可编程渲染管线的核心，它是一段程序代码，由GPU来执行。由于OpenGL兼容性广泛，使用的是GLSL编程语言。Shader以源代码形式写作，src文件中包含有GLSL代码，可以被编译并创建为渲染程序对象（PGO），并链接到渲染流程的某个阶段。使用Shader可以修改OpenGL渲染管线的不同阶段，包括顶点着色器(Vertex Shader)，片段着色器(Fragment Shader)等。在最终的渲染过程中，Shader将应用于所有基元的渲染中，以产生遵循应用特定算法的结果。

// Vertex Shader代码示例
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

void main()
{
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

二、顶点着色器(Vertex Shader)

顶点着色器，顾名思义，主要是处理在渲染管道的顶点阶段，负责顶点坐标系和顶点属性计算。在3D世界中，每个图形都是由一系列的三角形描述而成。权衡了性能和良好渲染效果，所以3D图形都是以三个顶点的坐标和属性信息来描述的。顶点着色器负责将这些坐标和属性转换操作处理成渲染管道中的“想要的内容”。

通过对渲染流程的各个阶段进行自定义的高效计算和渲染，顶点着色器能够在场景中定制非常复杂且令人印象深刻的效果。在顶点着色器中，我们以vec4类型来存储顶点位置，1.0代表这是一个位于世界坐标系中的顶点。

// Vertex Shader代码示例
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

void main()
{
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

三、片段着色器(Fragment Shader)

片段着色器，通常也称为像素着色器，用于在渲染管道最后阶段处理渲染表面的每个像素。在只有顶点着色器的情况下，绘制的图像将会是平坦，没有明暗变化。片段着色器负责将处理后的顶点信息根据需要混合以增加图像的复杂度，包括颜色、阴影和高亮等。

在片段着色器中，我们一般使用纹理贴图或者颜色操作来决定着色器的输出值。最终渲染的图像可能需要根据纹理图片或其他形式的输入来产生遮罩，并在这些区域内嵌入更细致的渲染效果，使整个图像呈现出更加自然。

// Fragment Shader代码示例
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 Normal;
in vec3 FragPos;

void main()
{
    FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);
}

四、着色器语法(Syntex)

GLSL即OpenGL着色语言，OpenGL着色语言是C语言的超集，这意味着它不仅可以使用基本的C语言结构和语法，还可以使用GLSL中特有的数据类型和函数等其他语言特性。直观地理解着色器语法是比较困难的。因此，下面简要介绍一下着色器中的常见语法。

数据类型:

int: 整数数据类型
float: 单精度浮点数数据类型
vec2: 包含二维向量的浮点数据类型
vec3: 包含三维向量的浮点数据类型
vec4: 包含四维向量的浮点数据类型
mat4: 一个4×4的矩阵，包含16个浮点数
bool: 布尔数据类型

变量类型:

uniform: 定义全局变量，值在渲染调用前/后被设置
attribute: 定义会被输入到顶点着色器的变量
varying: 声明在顶点着色器和片段着色器之间传递数据的变量

流控制:

if/else: 流程控制语句来检测嵌入在渲染流程中的启用状态
for: 循环语句来处理需要进行中途过程的场景
while: 循环语句如同for一样用于迭代

内置函数:

abs: 返回一个输入的绝对值
cos/sin/tan: 计算输入对应的三角函数值
radians/degrees: 计算输入的弧度或角度值
clamp: 设置输入的最小和最大值，以确保在指定范例内的正确性
mix: 根据提供的系数混合两个值

五、常见应用场景

Shader的应用非常广泛，最常见的应用场景包括计算机图形、动画和电影等视觉艺术。此外，它还广泛应用于游戏开发、科学计算、虚拟现实等领域。例如，在电影制作中，着色器可以用于模拟烟雾、火焰和水等视觉效果。在游戏开发中，着色器可用于创建沉浸式的环境，如动态天气和动态环境光照。

以下是一个以Shader为基础实现的简单例子，创建了一个简单的环境。代码示例如下：

// Vertex Shader代码示例
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;
layout (location = 1) in vec2 textureCoord;
out vec2 outTextureCoord;

void main()
{
    gl_Position = vec4(position, 1.0);
    outTextureCoord = textureCoord;
}

// Fragment Shader代码示例
#version 330 core
out vec4 fragColor;
in vec2 outTextureCoord;
uniform sampler2D textureSampler;

void main()
{
    vec4 texel = texture(textureSampler, outTextureCoord);
    fragColor = vec4(texel.xyz, 1.0);
}

六、总结

OpenGL Shader是一个非常强大的工具，可以允许程序定制高效的渲染流程。开发人员需要了解渲染器管道的不同阶段以及在这些阶段中发生的事情。顶点着色器和片段着色器是Shader的两个常见类型，它们都有自己的任务和目标。掌握OpenGL Shader的基本编程语言和常用技术，才能够在显然的短时间内实现让人瞠目的渲染效果。

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