着色器语言 GLSL (opengl |
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着色器语言 GLSL (opengl
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基本类型:
类型说明
void
空类型,即不返回任何值
bool
布尔类型 true,false
int
带符号的整数 signed integer
float
带符号的浮点数 floating scalar
vec2, vec3, vec4
n维浮点数向量 n-component floating point vector
bvec2, bvec3, bvec4
n维布尔向量 Boolean vector
ivec2, ivec3, ivec4
n维整数向量 signed integer vector
mat2, mat3, mat4
2x2, 3x3, 4x4 浮点数矩阵 float matrix
sampler2D
2D纹理 a 2D texture
samplerCube
盒纹理 cube mapped texture
基本结构和数组:
类型说明
结构
struct type-name{} 类似c语言中的 结构体
数组
float foo[3] glsl只支持1维数组,数组可以是结构体的成员
向量的分量访问:
glsl中的向量(vec2,vec3,vec4)往往有特殊的含义,比如可能代表了一个空间坐标(x,y,z,w),或者代表了一个颜色(r,g,b,a),再或者代表一个纹理坐标(s,t,p,q) 所以glsl提供了一些更人性化的分量访问方式. vector.xyzw 其中xyzw 可以任意组合 vector.rgba 其中rgba 可以任意组合 vector.stpq 其中rgba 可以任意组合 vec4 v=vec4(1.0,2.0,3.0,1.0); float x = v.x; //1.0 float x1 = v.r; //1.0 float x2 = v[0]; //1.0 vec3 xyz = v.xyz; //vec3(1.0,2.0,3.0) vec3 xyz1 = vec(v[0],v[1],v[2]); //vec3(1.0,2.0,3.0) vec3 rgb = v.rgb; //vec3(1.0,2.0,3.0) vec2 xyzw = v.xyzw; //vec4(1.0,2.0,3.0,1.0); vec2 rgba = v.rgba; //vec4(1.0,2.0,3.0,1.0); 运算符: 优先级(越小越高)运算符说明结合性 1 () 聚组:a*(b+c) N/A 2 [] () . ++ -- 数组下标__[],方法参数__fun(arg1,arg2,arg3),属性访问__a.b__,自增/减后缀__a++ a--__ L - R 3 ++ -- + - ! 自增/减前缀__++a --a__,正负号(一般正号不写)a ,-a,取反__!false__ R - L 4 * / 乘除数学运算 L - R 5 + - 加减数学运算 L - R 7 < > = 关系运算符 L - R 8 == != 相等性运算符 L - R 12 && 逻辑与 L - R 13 ^^ 逻辑排他或(用处基本等于!=) L - R 14 || 逻辑或 L - R 15 __? :__ 三目运算符 L - R 16 = += -= *= /= 赋值与复合赋值 L - R 17 , 顺序分配运算 L - Rps 左值与右值: 左值:表示一个储存位置,可以是变量,也可以是表达式,但表达式最后的结果必须是一个储存位置. 右值:表示一个值, 可以是一个变量或者表达式再或者纯粹的值. 操作符的优先级：决定含有多个操作符的表达式的求值顺序，每个操作的优先级不同. 操作符的结合性：决定相同优先级的操作符是从左到右计算，还是从右到左计算。 基础类型间的运算:glsl中,没有隐式类型转换,原则上glsl要求任何表达式左右两侧(l-value),(r-value)的类型必须一致 也就是说以下表达式都是错误的: int a =2.0; //错误,r-value为float 而 lvalue 为int. int a =1.0+2; float a =2; float a =2.0+1; bool a = 0; vec3 a = vec3(1.0, 2.0, 3.0) * 2;下面来分别说说可能遇到的情况: 1.float 与 int: float与float , int与int之间是可以直接运算的,但float与int不行.它们需要进行一次显示转换.即要么把float转成int: int(1.0) ,要么把int转成float: float(1) ,以下表达式都是正确的: int a=int(2.0); float a= float(2); int a=int(2.0)*2 + 1; float a= float(2)*6.0+2.3;2.float 与 vec(向量) mat(矩阵): vec,mat这些类型其实是由float复合而成的,当它们与float运算时,其实就是在每一个分量上分别与float进行运算,这就是所谓的逐分量运算.glsl里 大部分涉及vec,mat的运算都是逐分量运算,但也并不全是. 下文中就会讲到特例. 逐分量运算是线性的,这就是说 vec 与 float 的运算结果是还是 vec. int 与 vec,mat之间是不可运算的, 因为vec和mat中的每一个分量都是 float 类型的. 无法与int进行逐分量计算. 下面枚举了几种 float 与 vec,mat 运算的情况 vec3 a = vec3(1.0, 2.0, 3.0); mat3 m = mat3(1.0); float s = 10.0; vec3 b = s * a; // vec3(10.0, 20.0, 30.0) vec3 c = a * s; // vec3(10.0, 20.0, 30.0) mat3 m2 = s * m; // = mat3(10.0) mat3 m3 = m * s; // = mat3(10.0)3. vec(向量) 与 vec(向量): 两向量间的运算首先要保证操作数的阶数都相同.否则不能计算.例如: vec3*vec2 vec4+vec3 等等都是不行的. 它们的计算方式是两操作数在同位置上的分量分别进行运算,其本质还是逐分量进行的,这和上面所说的float类型的 逐分量运算可能有一点点差异,相同的是 vec 与 vec 运算结果还是 vec, 且阶数不变. vec3 a = vec3(1.0, 2.0, 3.0); vec3 b = vec3(0.1, 0.2, 0.3); vec3 c = a + b; // = vec3(1.1, 2.2, 3.3) vec3 d = a * b; // = vec3(0.1, 0.4, 0.9)3. vec(向量) 与 mat(矩阵): 要保证操作数的阶数相同,且vec与mat间只存在乘法运算. 它们的计算方式和线性代数中的矩阵乘法相同,不是逐分量运算. vec2 v = vec2(10., 20.); mat2 m = mat2(1., 2., 3., 4.); vec2 w = m * v; // = vec2(1. * 10. + 3. * 20., 2. * 10. + 4. * 20.) ... vec2 v = vec2(10., 20.); mat2 m = mat2(1., 2., 3., 4.); vec2 w = v * m; // = vec2(1. * 10. + 2. * 20., 3. * 10. + 4. * 20.)向量与矩阵的乘法规则如下: 4. mat(矩阵) 与 mat(矩阵): 要保证操作数的阶数相同. 在mat与mat的运算中, 除了乘法是线性代数中的矩阵乘法外.其余的运算任为逐分量运算.简单说就是只有乘法是特殊的,其余都和vec与vec运算类似. mat2 a = mat2(1., 2., 3., 4.); mat2 b = mat2(10., 20., 30., 40.); mat2 c = a * b; //mat2(1.*10.+3.*20.,2.*10.+4.*20.,1.* 30.+3.*40.,2.* 30.+4.*40.); mat2 d = a+b;//mat2(1.+10.,2.+20.,3.+30.,4.+40);矩阵乘法规则如下: const: 和C语言类似,被const限定符修饰的变量初始化后不可变,除了局部变量,函数参数也可以使用const修饰符.但要注意的是结构变量可以用const修饰, 但结构中的字段不行. const变量必须在声明时就初始化 const vec3 v3 = vec3(0.,0.,0.) 局部变量只能使用const限定符. 函数参数只能使用const限定符. struct light { vec4 color; vec3 pos; //const vec3 pos1; //结构中的字段不可用const修饰会报错. }; const light lgt = light(vec4(1.0), vec3(0.0)); //结构变量可以用const修饰attribute: attribute变量是全局且只读的,它只能在vertex shader中使用,只能与浮点数,向量或矩阵变量组合, 一般attribute变量用来放置程序传递来的模型顶点,法线,颜色,纹理等数据它可以访问数据缓冲区 (还记得__gl.vertexAttribPointer__这个函数吧) attribute vec4 a_Position;uniform: uniform变量是全局且只读的,在整个shader执行完毕前其值不会改变,他可以和任意基本类型变量组合, 一般我们使用uniform变量来放置外部程序传递来的环境数据(如点光源位置,模型的变换矩阵等等) 这些数据在运行中显然是不需要被改变的. uniform vec4 lightPosition;varying: varying类型变量是 vertex shader 与 fragment shader 之间的信使,一般我们在 vertex shader 中修改它然后在fragment shader使用它,但不能在 fragment shader中修改它. //顶点着色器 varying vec4 v_Color; void main(){ ... v_Color = vec4(1.,1.,1.,1); } //片元着色器 ... varying vec4 v_Color; void main() { gl_FragColor = v_Color; } ...要注意全局变量限制符只能为 const、attribute、uniform和varying中的一个.不可复合. 函数参数限定符:函数的参数默认是以拷贝的形式传递的,也就是值传递,任何传递给函数参数的变量,其值都会被复制一份,然后再交给函数内部进行处理. 我们可以为参数添加限定符来达到传递引用的目的,glsl中提供的参数限定符如下: 限定符说明 < none: default > 默认使用 in 限定符 in 复制到函数中在函数中可读写 out 返回时从函数中复制出来 inout 复制到函数中并在返回时复制出来in 是函数参数的默认限定符,最终真正传入函数形参的其实是实参的一份拷贝.在函数中,修改in修饰的形参不会影响到实参变量本身. out 它的作用是向函数外部传递新值,out模式下传递进来的参数是write-only的(可写不可读).就像是一个"坑位",坑位中的值需要函数给他赋予. 在函数中,修改out修饰的形参会影响到实参本身. inout inout下,形参可以被理解为是一个带值的"坑位",及可读也可写,在函数中,修改inout修饰的形参会影响到实参本身. glsl的函数:glsl允许在程序的最外部声明函数.函数不能嵌套,不能递归调用,且必须声明返回值类型(无返回值时声明为void) 在其他方面glsl函数与c函数非常类似. vec4 getPosition(){ vec4 v4 = vec4(0.,0.,0.,1.); return v4; } void doubleSize(inout float size){ size= size*2.0 ; } void main() { float psize= 10.0; doubleSize(psize); gl_Position = getPosition(); gl_PointSize = psize; } 构造函数:glsl中变量可以在声明的时候初始化,float pSize = 10.0 也可以先声明然后等需要的时候在进行赋值. 聚合类型对象如(向量,矩阵,数组,结构) 需要使用其构造函数来进行初始化. vec4 color = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0); //一般类型 float pSize = 10.0; float pSize1; pSize1=10.0; ... //复合类型 vec4 color = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0); vec4 color1; color1 =vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0); ... //结构 struct light { float intensity; vec3 position; }; light lightVar = light(3.0, vec3(1.0, 2.0, 3.0)); //数组 const float c[3] = float[3](5.0, 7.2, 1.1); 类型转换:glsl可以使用构造函数进行显式类型转换,各值如下: bool t= true; bool f = false; int a = int(t); //true转换为1或1.0 int a1 = int(f);//false转换为0或0.0 float b = float(t); float b1 = float(f); bool c = bool(0);//0或0.0转换为false bool c1 = bool(1);//非0转换为true bool d = bool(0.0); bool d1 = bool(1.0); 精度限定:glsl在进行光栅化着色的时候,会产生大量的浮点数运算,这些运算可能是当前设备所不能承受的,所以glsl提供了3种浮点数精度,我们可以根据不同的设备来使用合适的精度. 在变量前面加上 highp mediump lowp 即可完成对该变量的精度声明. lowp float color; varying mediump vec2 Coord; lowp ivec2 foo(lowp mat3); highp mat4 m;我们一般在片元着色器(fragment shader)最开始的地方加上 precision mediump float; 便设定了默认的精度.这样所有没有显式表明精度的变量 都会按照设定好的默认精度来处理. 如何确定精度: 变量的精度首先是由精度限定符决定的,如果没有精度限定符,则要寻找其右侧表达式中,已经确定精度的变量,一旦找到,那么整个表达式都将在该精度下运行.如果找到多个, 则选择精度较高的那种,如果一个都找不到,则使用默认或更大的精度类型. uniform highp float h1; highp float h2 = 2.3 * 4.7; //运算过程和结果都 是高精度 mediump float m; m = 3.7 * h1 * h2; //运算过程 是高精度 h2 = m * h1; //运算过程 是高精度 m = h2 – h1; //运算过程 是高精度 h2 = m + m; //运算过程和结果都 是中等精度 void f(highp float p); // 形参 p 是高精度 f(3.3); //传入的 3.3是高精度invariant关键字: 由于shader在编译时会进行一些内部优化,可能会导致同样的运算在不同shader里结果不一定精确相等.这会引起一些问题,尤其是vertx shader向fragmeng shader传值的时候. 所以我们需要使用invariant 关键字来显式要求计算结果必须精确一致. 当然我们也可使用 #pragma STDGL invariant(all)来命令所有输出变量必须精确一致, 但这样会限制编译器优化程度,降低性能. #pragma STDGL invariant(all) //所有输出变量为 invariant invariant varying texCoord; //varying在传递数据的时候声明为invariant限定符的顺序: 当需要用到多个限定符的时候要遵循以下顺序: 1.在一般变量中: invariant > storage > precision 2.在参数中: storage > parameter > precision 我们来举例说明: invariant varying lowp float color; // invariant > storage > precision void doubleSize(const in lowp float s){ //storage > parameter > precision float s1=s; } 预编译指令:以 # 开头的是预编译指令,常用的有: #define #undef #if #ifdef #ifndef #else #elif #endif #error #pragma #extension #version #line比如 #version 100 他的意思是规定当前shader使用 GLSL ES 1.00标准进行编译,如果使用这条预编译指令,则他必须出现在程序的最开始位置. 内置的宏: __LINE__ : 当前源码中的行号. __VERSION__ : 一个整数,指示当前的glsl版本 比如 100 ps: 100 = v1.00 GL_ES : 如果当前是在 OPGL ES 环境中运行则 GL_ES 被设置成1,一般用来检查当前环境是不是 OPENGL ES. GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH : 如果当前系统glsl的片元着色器支持高浮点精度,则设置为1.一般用于检查着色器精度. 实例: 1.如何通过判断系统环境,来选择合适的精度: #ifdef GL_ES // #ifdef GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH precision highp float; #else precision mediump float; #endif #endif2.自定义宏: #define NUM 100 #if NUM==100 #endif 内置的特殊变量glsl程序使用一些特殊的内置变量与硬件进行沟通.他们大致分成两种 一种是 input类型,他负责向硬件(渲染管线)发送数据. 另一种是output类型,负责向程序回传数据,以便编程时需要. 在 vertex Shader 中: output 类型的内置变量: 变量说明单位 highp vec4 gl_Position; gl_Position 放置顶点坐标信息 vec4 mediump float gl_PointSize; gl_PointSize 需要绘制点的大小,(只在gl.POINTS模式下有效) float在 fragment Shader 中: input 类型的内置变量: 变量说明单位 mediump vec4 gl_FragCoord; 片元在framebuffer画面的相对位置 vec4 bool gl_FrontFacing; 标志当前图元是不是正面图元的一部分 bool mediump vec2 gl_PointCoord; 经过插值计算后的纹理坐标,点的范围是0.0到1.0 vec2output 类型的内置变量: 变量说明单位 mediump vec4 gl_FragColor; 设置当前片点的颜色 vec4 RGBA color mediump vec4 gl_FragData[n] 设置当前片点的颜色,使用glDrawBuffers数据数组 vec4 RGBA color 内置的常量glsl提供了一些内置的常量,用来说明当前系统的一些特性. 有时我们需要针对这些特性,对shader程序进行优化,让程序兼容度更好. 在 vertex Shader 中: 1.const mediump int gl_MaxVertexAttribs>=8 gl_MaxVertexAttribs 表示在vertex shader(顶点着色器)中可用的最大attributes数.这个值的大小取决于 OpenGL ES 在某设备上的具体实现, 不过最低不能小于 8 个. 2.const mediump int gl_MaxVertexUniformVectors >= 128 gl_MaxVertexUniformVectors 表示在vertex shader(顶点着色器)中可用的最大uniform vectors数. 这个值的大小取决于 OpenGL ES 在某设备上的具体实现, 不过最低不能小于 128 个. 3.const mediump int gl_MaxVaryingVectors >= 8 gl_MaxVaryingVectors 表示在vertex shader(顶点着色器)中可用的最大varying vectors数. 这个值的大小取决于 OpenGL ES 在某设备上的具体实现, 不过最低不能小于 8 个. 4.const mediump int gl_MaxVertexTextureImageUnits >= 0 gl_MaxVaryingVectors 表示在vertex shader(顶点着色器)中可用的最大纹理单元数(贴图). 这个值的大小取决于 OpenGL ES 在某设备上的具体实现, 甚至可以一个都没有(无法获取顶点纹理) 5.const mediump int gl_MaxCombinedTextureImageUnits >= 8 gl_MaxVaryingVectors 表示在 vertex Shader和fragment Shader总共最多支持多少个纹理单元. 这个值的大小取决于 OpenGL ES 在某设备上的具体实现, 不过最低不能小于 8 个. 在 fragment Shader 中: 1.const mediump int gl_MaxTextureImageUnits >= 8 gl_MaxVaryingVectors 表示在 fragment Shader(片元着色器)中能访问的最大纹理单元数,这个值的大小取决于 OpenGL ES 在某设备上的具体实现, 不过最低不能小于 8 个. 2.const mediump int gl_MaxFragmentUniformVectors >= 16 gl_MaxFragmentUniformVectors 表示在 fragment Shader(片元着色器)中可用的最大uniform vectors数,这个值的大小取决于 OpenGL ES 在某设备上的具体实现, 不过最低不能小于 16 个. 3.const mediump int gl_MaxDrawBuffers = 1 gl_MaxDrawBuffers 表示可用的drawBuffers数,在OpenGL ES 2.0中这个值为1, 在将来的版本可能会有所变化. glsl中还有一种内置的uniform状态变量, gl_DepthRange 它用来表明全局深度范围. 结构如下: struct gl_DepthRangeParameters { highp float near; // n highp float far; // f highp float diff; // f - n }; uniform gl_DepthRangeParameters gl_DepthRange;除了 gl_DepthRange 外的所有uniform状态常量都已在glsl 1.30 中废弃. 流控制glsl的流控制和c语言非常相似,这里不必再做过多说明,唯一不同的是片段着色器中有一种特殊的控制流discard. 使用discard会退出片段着色器，不执行后面的片段着色操作。片段也不会写入帧缓冲区。 for (l = 0; l < numLights; l++) { if (!lightExists[l]); continue; color += light[l]; } ... while (i < num) { sum += color[i]; i++; } ... do{ color += light[lightNum]; lightNum--; }while (lightNum > 0) ... if (true) discard; 内置函数库glsl提供了非常丰富的函数库,供我们使用,这些功能都是非常有用且会经常用到的. 这些函数按功能区分大改可以分成7类: 通用函数: 下文中的 类型 T可以是 float, vec2, vec3, vec4,且可以逐分量操作. 方法说明 T abs(T x) 返回x的绝对值 T sign(T x) 比较x与0的值,大于,等于,小于 分别返回 1.0 ,0.0,-1.0 T floor(T x) 返回=等于x的最小整数 T fract(T x) 获取x的小数部分 T mod(T x, T y) T mod(T x, float y) 取x,y的余数 T min(T x, T y) T min(T x, float y) 取x,y的最小值 T max(T x, T y) T max(T x, float y) 取x,y的最大值 T clamp(T x, T minVal, T maxVal) T clamp(T x, float minVal,float maxVal) min(max(x, minVal), maxVal),返回值被限定在 minVal,maxVal之间 T mix(T x, T y, T a) T mix(T x, T y, float a) 取x,y的线性混合,x*(1-a)+y*a T step(T edge, T x) T step(float edge, T x) 如果 x= y,将结果写入bvec对应位置 bvec equal(T x, T y) bvec equal(bvec x, bvec y) 逐分量比较 x == y,将结果写入bvec对应位置 bvec notEqual(T x, T y) bvec notEqual(bvec x, bvec y) 逐分量比较 x!= y,将结果写入bvec对应位置 bool any(bvec x) 如果x的任意一个分量是true,则结果为true bool all(bvec x) 如果x的所有分量是true,则结果为true bvec not(bvec x) bool矢量的逐分量取反纹理查询函数: 图像纹理有两种 一种是平面2d纹理,另一种是盒纹理,针对不同的纹理类型有不同访问方法. 纹理查询的最终目的是从sampler中提取指定坐标的颜色信息. 函数中带有Cube字样的是指 需要传入盒状纹理. 带有Proj字样的是指带投影的版本. 以下函数只在vertex shader中可用: vec4 texture2DLod(sampler2D sampler, vec2 coord, float lod); vec4 texture2DProjLod(sampler2D sampler, vec3 coord, float lod); vec4 texture2DProjLod(sampler2D sampler, vec4 coord, float lod); vec4 textureCubeLod(samplerCube sampler, vec3 coord, float lod);以下函数只在fragment shader中可用: vec4 texture2D(sampler2D sampler, vec2 coord, float bias); vec4 texture2DProj(sampler2D sampler, vec3 coord, float bias); vec4 texture2DProj(sampler2D sampler, vec4 coord, float bias); vec4 textureCube(samplerCube sampler, vec3 coord, float bias);在 vertex shader 与 fragment shader 中都可用: vec4 texture2D(sampler2D sampler, vec2 coord); vec4 texture2DProj(sampler2D sampler, vec3 coord); vec4 texture2DProj(sampler2D sampler, vec4 coord); vec4 textureCube(samplerCube sampler, vec3 coord); 官方的shader范例:下面的shader如果你可以一眼看懂,说明你已经对glsl语言基本掌握了. Vertex Shader: uniform mat4 mvp_matrix; //透视矩阵 * 视图矩阵 * 模型变换矩阵 uniform mat3 normal_matrix; //法线变换矩阵(用于物体变换后法线跟着变换) uniform vec3 ec_light_dir; //光照方向 attribute vec4 a_vertex; // 顶点坐标 attribute vec3 a_normal; //顶点法线 attribute vec2 a_texcoord; //纹理坐标 varying float v_diffuse; //法线与入射光的夹角 varying vec2 v_texcoord; //2d纹理坐标 void main(void) { //归一化法线 vec3 ec_normal = normalize(normal_matrix * a_normal); //v_diffuse 是法线与光照的夹角.根据向量点乘法则,当两向量长度为1是 乘积即cosθ值 v_diffuse = max(dot(ec_light_dir, ec_normal), 0.0); v_texcoord = a_texcoord; gl_Position = mvp_matrix * a_vertex; }Fragment Shader: precision mediump float; uniform sampler2D t_reflectance; uniform vec4 i_ambient; varying float v_diffuse; varying vec2 v_texcoord; void main (void) { vec4 color = texture2D(t_reflectance, v_texcoord); //这里分解开来是 color*vec3(1,1,1)*v_diffuse + color*i_ambient //色*光*夹角cos + 色*环境光 gl_FragColor = color*(vec4(v_diffuse) + i_ambient); } |
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