概述：
以c为基础：
OpenGL着色语言是基于ANSI C编程语言的语法，使用这种语言编写的程序与C程序非常相似。这是有意要设计成这样，就是要使这种语言对于最可能使用它的那些人(使用c、c++开发应用程序的那些人)非常容易使用。
使用OpenGL着色语言编写的程序基本结构与使用C编写的程序结构基本相同，着色器的入口函数是void main(),OpenGL中的常量、标识符、运算符、表达式和语句与C是基本相同的。用于循环的控制流、if-then-else以及函数调用与C几乎完全相同。
c扩展：
由于作为一种用来编写图形算法的语言，OpenGL着色语言具有其专用性，所以该语言中添加了许多语言特性，主要表现在以下方面：
支持用于浮点数、整数和布尔值的失量类型。对于浮点值，这些矢量类型被称为vec2，vec3，vec4等
像基本类型一样，浮点类型矩阵同样收到支持。如mat2指2*2矩阵，mat3指3*3矩阵
被添加的还有一组名为取样器(sampler)的基本类型，它可以创建着色器用来访问纹理内存的机制。取样器是一种特殊的不透明变量类型，它可以用来访问特定的纹理贴图。sampler1D类型的变量可以用来访问1D纹理贴图， sampler2D类型的变量可以用来访问一个2D纹理贴图，以此类推，通过这种机制还可以支持阴影和立方贴图纹理。
限定符的添加是为了管理着色器的输入和输出。attribute、uniform和varying
用opengl着色语言编写的着色器可以使用以保留“gl_”开始的内置变量
Opengl还提供了各种内置函数，目的是使代码编写变得简单，并针对某些操作利用可能的硬件加速，比如：三角运算，指数运算等等
来自c++的扩展：
opengl着色语言还包括了C++中的一些重要语言特性。尤其是，它支持函数重载，
构造函数的概念同样来源于C++。OpenGL着色语言中只使用构造函数就完成了初始化程序。使用构造函数可以用多种方式来初始化变量。
另一个从C++借用的特性就是可以在需要变量时再次声明它们，而不必在一个基本块开始时就声明它们。像在C++中一样，该语言也支持基本类型bool。
像在C++一样，函数必须在使用之前进行声明。通过提供函数的定义或者使用原型，就可以实现这一点。
不受支持的C特性：
glsl语言不存在数据类型的自动提升。如：使用float f=0；就会产生一个错误，尔使用float f = 0.0就不会产生错误。
glsl语言没有包含对指针、字符串或者字符或者基于这些类型的任何操作的支持。它基本上是一种处理数字数据的言语，而不是处理字符或者字符串的语言。
glsl不支持联合、枚举类型、结构中的位字段以及按位运算。最后一点glsl不是基于文件的，所以看不到任何#include指令或者对文件名的其它引用
GLSL 中文手册
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, vec4n维浮点数向量 n-component floating point vector
bvec2, bvec3, bvec4n维布尔向量 Boolean vector
ivec2, ivec3, ivec4n维整数向量 signed integer vector
mat2, mat3, mat42x2, 3x3, 4x4 浮点数矩阵 float matrix
sampler2D2D纹理 a 2D texture
samplerCube盒纹理 cube mapped texture
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
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
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 - R
ps 左值与右值:
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:
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:
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
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.
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.
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.
矩阵乘法规则如下:
修饰符说明
none(默认的可省略)本地变量,可读可写,函数的输入参数既是这种类型
const声明变量或函数的参数为只读类型
attribute只能存在于vertex shader中,一般用于保存顶点或法线数据,它可以在数据缓冲区中读取数据
uniform在运行时shader无法改变uniform变量, 一般用来放置程序传递给shader的变换矩阵，材质，光照参数等等.
varying主要负责在vertex 和 fragment 之间传递变量
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.
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)
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.
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.
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.
inoutinout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.
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);
glsl可以使用构造函数进行显式类型转换,各值如下:
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highpmediumplowp即可完成对该变量的精度声明.
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.
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.
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:
以 # 开头的是预编译指令,常用的有:
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:
2.自定义宏:
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 vec4gl_Position;gl_Position 放置顶点坐标信息vec4
mediump floatgl_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 vec4gl_FragCoord;片元在framebuffer画面的相对位置vec4
boolgl_FrontFacing;标志当前图元是不是正面图元的一部分bool
mediump vec2gl_PointCoord;经过插值计算后的纹理坐标,点的范围是0.0到1.0vec2
output 类型的内置变量:
变量说明单位
mediump vec4gl_FragColor;设置当前片点的颜色vec4 RGBA color
mediump vec4gl_FragData[n]设置当前片点的颜色,使用glDrawBuffers数据数组vec4 RGBA color
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 intgl_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 intgl_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 intgl_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 intgl_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 intgl_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 intgl_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 intgl_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 intgl_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:
除了 gl_DepthRange 外的所有uniform状态常量都已在glsl 1.30 中废弃.
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。
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<=x的最大整数
T ceil(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
T smoothstep(T edge0, T edge1, T x)
T smoothstep(float edge0,float edge1, T x)
如果xedge1返回1.0, 否则返回Hermite插值
角度&三角函数:
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 radians(T degrees)角度转弧度
T degrees(T radians)弧度转角度
T sin(T angle)正弦函数,角度是弧度
T cos(T angle)余弦函数,角度是弧度
T tan(T angle)正切函数,角度是弧度
T asin(T x)反正弦函数,返回值是弧度
T acos(T x)反余弦函数,返回值是弧度
T atan(T y, T x)
T atan(T y_over_x)
反正切函数,返回值是弧度
指数函数:
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 pow(T x, T y)返回x的y次幂 xy
T exp(T x)返回x的自然指数幂 ex 如exp(1) = 2.718282
T log(T x)返回x的自然对数 ln 如log(2.718282) = 1.0
T exp2(T x)返回2的x次幂 2x
T log2(T x)返回2为底的对数 log2 如log2(4) =2
T sqrt(T x)开根号 √x 如sqrt(4) = 2
T inversesqrt(T x)先开根号,在取倒数,就是 1/√x
几何函数:
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
float length(T x)返回矢量x的长度
float distance(T p0, T p1)返回p0 p1两点的距离
float dot(T x, T y)返回x y的点积
vec3 cross(vec3 x, vec3 y)返回x y的叉积
T normalize(T x)对x进行归一化,保持向量方向不变但长度变为1
T faceforward(T N, T I, T Nref)根据 矢量 N 与Nref 调整法向量
T reflect(T I, T N)返回 I - 2 * dot(N,I) * N, 结果是入射矢量 I 关于法向量N的 镜面反射矢量
T refract(T I, T N, float eta)返回入射矢量I关于法向量N的折射矢量,折射率为eta
矩阵函数:
mat可以为任意类型矩阵.
方法说明
mat matrixCompMult(mat x, mat y)将矩阵 x 和 y的元素逐分量相乘
向量函数:
下文中的 类型 T可以是 vec2, vec3, vec4, 且可以逐分量操作.
bvec指的是由bool类型组成的一个向量:
方法说明
bvec lessThan(T x, T y)逐分量比较x < y,将结果写入bvec对应位置
bvec lessThanEqual(T x, T y)逐分量比较 x <= y,将结果写入bvec对应位置
bvec greaterThan(T x, T y)逐分量比较 x > y,将结果写入bvec对应位置
bvec greaterThanEqual(T x, T y)逐分量比较 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:
以下函数只在fragment shader中可用:
在 vertex shader 与 fragment shader 中都可用:
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:
Fragment Shader:
