技术沉思录

OpenGLES 3.0 - 着色器语言GLSL

OpenGL OpenGLES GLSL
字数统计: 1.9k阅读时长: 7 min
2023/09/27

简介

在OpenGL开发过程中，我们经常会用到着色器语言(GLSL)，它主要用于编写顶点着色器和片段着色器，接下来会详细讲解着色器语言GL Shader Language(GLSL)的一些基本概念。

版本

GLSL最初随着OpenGL2.0版本一同发布，随着OpenGL版本的不断升级。OpenGL版本和GLSL版本对应关系：

OpenGL版本 GLSL版本 发布时间
2.0 110 2004年9月7日
2.1 120 2006年7月2日
3.0 130 2008年8月11日
3.1 140 2009年3月24日
3.2 150 2009年8月3日
3.3 330 2010年3月11日
4.0 400 2010年3月11日
4.1 410 2010年7月26日
4.2 420 2011年8月8日
4.3 430 2012年8月6日
4.4 440 2013年7月23日
4.5 450 2014年7月
4.6 460 2017年7月

同样的，对于嵌入式设备，对于OpenGLES，也有对应的GLSL ES版本，对应关系：

OpenGLES版本 GLSL ES版本
2.0 110
3.0 130
3.1 140
3.2 150

本文主要讲解的是OpenGL ES3.0版本的GLSL。

变量类型

OpenGL ES 着色器语言支持的变量类型：

分类 变量类型 描述
标量 float,int,bool,uint 标量也被称为 “无向量”，
其值只有大小，并不具有方向
浮点向量 float, vec2, vec3, vec4 有 1、2、3、4 个分量，
基于浮点的向量类型
正数向量 int, ivec2, ivec3, ivec4 有 1、2、3、4 个分量，
基于整数的向量类型
布尔向量 bool, bvec2, bvec3, bvec4 有 1、2、3、4 个分量，
基于布尔的向量类型
无符号整数向量 uint, uvec2, uvec3, uvec4 有 1、2、3、4 个分量，
基于无符号整数的向量类型
矩阵 mat2x2,mat2x3,max2x4… 矩阵是按照列的顺序组织的，
第一个数字表示列数
第二个表示行数
纹理句柄 sampler2D, samplerCube 表示2D，立方体纹理的句柄
空类型 void 用于无返回值的函数或空的
参数列表

结构体

类似C语言中的结构体，使用struct关键字声明结构体。

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struct foo{
    vec3 position;
    float start;
} fooVar;

fooVar = foo(vec3(1.0,1.0,0.0),0.5);

数组

可以声明各种类型的数组。
声明数组的方式：

  • 声明数组的同时，指定大小：

    1
    vec4 position[10];

  • 声明数组并初始化：

    1
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    float a[] = float[](1.0,2.0f);
    float b[] = float[2](1.0,2.0f);

函数

函数的声明和C语言类似，从main主函数开始执行。
注意：函数不能够递归调用，且必须声明返回值类型(无返回值时声明为void)

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out vec4 fragColor;
void main(){
    vec3 n;
    vec3 l;
    vec4 b;
    ...
    fragColor = diffuse(n,l,b);
    ...
}

vec4 diffuse(vec3 normal, vec3 light, vec4 baseColor) {
    return baseColor * dot(normal, light);
}

内置函数

OpenGL ES 着色语言有许多内置函数，处理各种计算任务。
这些内置函数，可分为4种变体：

变体类型 描述
genType float,vec2,vec3,vec4
genIType int,ivec2,ivec3,ivec4
genBType uint,uvec2,uvec3,uvec4
genUType uint,uvec2,uvec3,uvec4

和上文中提到的4种变量对应(float,int,bool,uint)。
内置函数都是使用了非常高效的方式来实现，必须熟悉一些常见的内置函数。

限定符

存储限定符

在GLSL140版本之前，模型的一次渲染过程，顶点着色器中每次运行都会改变的数据称为attribute，每次运行保持不变的数据称为uniform，着色器之间顺序传递的数据称为varying，这些就是所谓的存储限定符。

为了强化渲染管线的输入输出概念，GLSL140版本后，存储限定符attribute和varying不再被推荐使用，取而代之的是in和out。

in限定符

in限定符修饰的全局变量，叫输入变量。
顶点着色器的输入变量只能使用in限定符来修饰。片段着色器可以使用in或者centroid in 限定符来修饰全局变量。
in限定修饰符和OpenGL ES2.0中的attribute限定符类似。

out限定符

out限定符修饰的全局变量，叫输出变量。
顶点着色器的输出变量可以使用in或者centroid out限定符来修饰全局变量，用于向渲染管线后继阶段传递当前顶点的数据。
片段着色器的输出变量只能使用in限定符来修饰，表示由片段着色器写入计算完成片段颜色值的变量。

uniform限定符

uniform限定符修饰的全局变量，叫统一变量。统一变量的命名空间在顶点着色器和片段着色器中都是共享的。

const限定符

const限定符，可将变量声明为常量，常量只可读，不可修改。常量必须在声明时初始化。例如：

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const float PI = 3.14159;

插值限定符

插值限定符，其主要用于控制顶点着色器传递到片段着色器数据的插值方式。

插值限定符 描述
smooth 默认值，平滑着色，顶点着色器的输出变量在图元中线性插值
flat 平面着色，将一个顶点视为驱动顶点（取决于图元类型），
该顶点的值用于图元中所有片段
centroid 质心采样，使用多重采样渲染时，
该限定符可用于强制插值发生在被渲染图元内部，否则图元边缘可能出现伪像

layout限定符

layout限定符是OpenGL ES3.3中新增的特性，主要用于设置变量的存储索引值。
声明的方式：

  • 作为接口块定义的一部分或者接口块的成员/仅仅修饰uniform，用于建立其他一致变量声明的参照
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<layout 限定符> uniform
  • 用于修饰被接口限定符修饰的单独变量
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<layout 限定符> <接口限定符> <变量声明>

使用layout为in变量指定存储索引值：

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layout(location = 0) in vec4 vPosition;
layout(location = 1) in vec4 vTexCoord;

如果变量是一个数组，则数组的每一个元素都会占据一个location的编号位置，例子中长度为3的数组，会占用5,6,7三个索引位置：

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layout(location = 5) uniform mat4 mMatrix[3];

对于out变量，layout索引独立于in变量：

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layout(location = 0) out vec4 fragColor;

统一变量块

统一变量块是OpenGL ES3.3中新增的特性，使用于统一变量缓冲区对象，通过缓冲对象送入渲染管线，以统一变量块的形式批量传送数据比单个传送效率高。基本语法：

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[<layout 限定符>] unifrom 一致块名称 {<成员变量列表>} [<实例名>]

示例：

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#version es 300
uniform Transform{
	float radius;
	mat4 modelViewMatrix;
	uniform mat3 normalMatrix;
};

layout(location = 0) in vec4 a_position;

void main() {
    gl_Position = modelViewMatrix * a_position;
}

精度限定符

较低的精度效率更高，较高的精度效果更高。
精度限定符种类：

  • lowp : 低精度
  • mediump : 中精度
  • highp : 高精度

注意:

  1. 顶点着色器中，如果没有指定默认精度，则int和float默认精度都是highp
  2. 在片段着色器中，浮点值没有默认精度，必须由开发者声明

内置变量

顶点着色器中的内置变量

内置输入变量

  • gl_VertexID：顶点整数索引
  • gl_InstanceID：实例 ID

内置输出变量

  • gl_Position：顶点位置
  • gl_PointSize：点大小

片段着色器中的内置变量

内置输入变量

  • gl_FragCoord：片段位置
  • gl_FragColor：片段颜色
  • gl_FragData：片段颜色缓冲区

内置输出变量

  • gl_FragDepth：片段深度值

参考

原文作者：Yeungeek

原文链接：http://yeungeek.github.io/2023/09/27/OpenGL-GLSL/

发表日期：September 27th 2023, 8:06:30 pm

更新日期：February 18th 2025, 2:48:12 am

版权声明：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

CATALOG
  1. 1. 简介
    1. 1.1. 版本
  2. 2. 变量类型
  3. 3. 结构体
  4. 4. 数组
  5. 5. 函数
    1. 5.1. 内置函数
  6. 6. 限定符
    1. 6.1. 存储限定符
      1. 6.1.1. in限定符
      2. 6.1.2. out限定符
      3. 6.1.3. uniform限定符
      4. 6.1.4. const限定符
      5. 6.1.5. 插值限定符
      6. 6.1.6. layout限定符
      7. 6.1.7. 统一变量块
      8. 6.1.8. 精度限定符
  7. 7. 内置变量
    1. 7.1. 顶点着色器中的内置变量
      1. 7.1.1. 内置输入变量
      2. 7.1.2. 内置输出变量
    2. 7.2. 片段着色器中的内置变量
      1. 7.2.1. 内置输入变量
      2. 7.2.2. 内置输出变量
  8. 8. 参考
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