什么是 GLSL

• OpenGL Shading 与语言
• 面向图形卡
• 语法上与C/C++类似
• Shading 语言写的小程序是 shader 程序，运行于 GPU
• 最早的 shader 程序是拿汇编写成的，难很难使用，后来出现了 GLSL

为什么用 shader

• 固定管线功能有限
• 如，固定管线只能用 ambient/diffuse/specular/emissive 光照模型，别的无法使用，用 shader 可以实现自定义的光照模型
• shader 还可实现更多的效果，如 Shadows, Environment Mapping, Per-Pixel Lighting, Bump Mapping, Parallax Bump Mapping, HDR

下图是未使用 shader 和使用 shader 的对比图²：

No Shaders vs Shaders

Vertex Shader

• vertex shader 操作每一个像素
• 当调用 glVertex* 或者 glDrawArrays 时，vertex shader 作用于每一个像素
• 使用 vertex shader，可以对每个像素做完全控制
• vertex shader 代替定点管线的 Per-Vertex 操作将被代替，包括：
  • vertex transformation
  • Normal Transformation, Normalization 和 Rescaling
  • Lighting
  • Texture Coordinate Generation 和 Transformation

Fragment Shader

• fragment shader 操作每一个 fragment which is produced by rasterization.
• 使用 fragment shader，可以对每一个 fragmen 做到 100% 控制
• fragment shader 代替固定管线的 Per-Fragment 操作，包括：
  • Texture access 和 application (Texture environments)
  • Fog

GLSL 数据类型

四个主类型：float, int, bool 和 sampler

vector 类型如下：

vec2, vec3, vec4         2D, 3D and 4D floating point vector
ivec2, ivec3, ivec4      2D, 3D and 4D integer vector
bvec2, bvec3, bvec4      2D, 3D and 4D boolean vectors

matrix 类型如下：

mat2, mat3, mat4         2x2, 3x3, 4x4 floating point matrix

Sampler 类型表示纹理，用于纹理采样。Sampler 类型必须被生命为 uniform

sampler1D, sampler2D, sampler3D    1D, 2D and 3D texture
samplerCube                        Cube Map texture
sampler1Dshadow, sampler2Dshadow   1D and 2D depth-component texture

Attributes, Uniforms 和 Varying

顶点属性，一致变量，易变变量

shader 的输入、输出有三种类型：uniforms, attributes, varying

uniforms 用于在主程序与 shader 间在传递数据，在主程序中设置 uniform 值，在 shader 程序中访问 uniform 且只读，vertex shader 和 fragment shader 都可使用；

attributes 只用在 vertex shader 中，他们是输入值用于改变顶点，如顶点位置、normal等。attributes 是只读的。

varying 用于从 vertex shader 到fragment shader 传递数据。在 fragment shader 中只读，在 vertex shader 中可读写。使用 varying 时，需要同时在 vertex shader 和 fragment shader 里声明相同的 varying。

所有的 attributes, uniforms 和 varying 必须是全局的，不能在一个函数内声明。

Built-in types

内建类型直接映射到 OpenGL 状态

vertex shader 中的 built-in attributes:

gl_Vertex             4D vector representing the vertex position
gl_Normal             3D vector representing the vertex normal
gl_color              4D vector representing the vertex color
gl_MultiTexCoordX     4D vector representing the texture coordinate of texture unit X

built-in uniforms:

gl_ModelViewMatrix                 4x4 Matrix representing the model-view matrix.
gl_ModelViewProjectionMatrix       4x4 Matrix representing the model-view-projection matrix.
gl_NormalMatrix                    3x3 Matrix representing the inverse transpose model-view matrix.
			           This matrix is used for normal transformation.

Built-in Varyings:

gl_FrontColor			   4D vector representing the primitives front color
gl_BackColor			   4D vector representing the primitives back color
gl_TexCoord[X]			   4D vector representing the Xth texture coordinate

built-in types which are used for shader output:

gl_Position				4D vector representing the final processed vertex position. Only
					available in vertex shader.
gl_FragColor				4D vector representing the final color which is written in the frame
					buffer. Only available in fragment shader.
gl_FragDepth				float representing the depth which is written in the depth buffer.
					Only available in fragment shader.

Generic Type

定义自己的 attribute,uniforms 和 varying:

uniform sampler2D my_color_texture;
uniform mat4 my_texture_matrix;

varying vec3 vertex_to_light_vector;
varying vec3 vertex_to_eye_vector;

attribute vec3 tangent;
attribute vec3 binormal;

GLSL 语言细节

参见原文¹。

SeeAlso

1. GLLS:An Introduction
2. Integrating Shaders into Your Game Engine