本章的实现代码，见 03_Shaders 和 03_Shaders_Uniform

着色器是运行在 GPU 上的小程序，这些小程序是为了在图形渲染管线上完成特定的任务。着色器的任务只是将输入转换为特定的输出。并且各种着色器之间是无法访问到对方的，他们之间唯一的交流是通过输入和输出。

#GLSL

Shader 是由 GLSL(OpenGL Shading Language) 语言写成，在每个 Shader 的一开始，都通过 #version 声明版本，接着是一系列的输入和输出声明，之后声明 unifrom 变量（非必须），然后是 main 函数。

典型的结构如下：

#version version_number
in type in_variable_name;
in type in_variable_name;

out type out_variable_name;

uniform type uniform_name;

void main()
{
  // process input(s) and do some weird graphics stuff
  ...
  // output processed stuff to output variable
  out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}

对于管线开始的顶点着色器而言，通常输入的数据都是 顶点属性（vertex attribute)。顶点属性是有上限的，但 OpenGL 保证，最少可以传递 16 个四通道（如 vec4）的数据。可以通过以下代码查询最大的顶点属性数量：

1
2
3

int nrAttributes;
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &nrAttributes);
std::cout << "Maximum nr of vertex attributes supported: " << nrAttributes << std::endl;

#类型

GLSL 定义了一系列的基础类型，都以以下的形式表示：

vecn ：有 n 个通道，且通道用 float 表示的 vector
bvecn：有 n 个通道，且通道用 bool 表示的 vector
ivecn：有 n 个通道，且通道用 int 表示的 vector
uvecn：有 n 个通道，且通道用 unsigned int 表示的 vector
dvecn：有 n 个通道，且通道用 double 表示的 vector

对于属性中的通道，可以使用 x, y, z 来访问其中的一个通道。也可以通过这些通道组合来访问，如 xy, xyz。实例代码如下：

vec2 someVec;
vec4 differentVec = someVec.xyxx;
vec3 anotherVec = differentVec.zyw;
vec4 otherVec = someVec.xxxx + anotherVec.yxzy;

#输入输出

GLSL 定义了 in 和 out 关键字，当输出变量与下一个着色器阶段的输入变量名字匹配他们就会传递下去。但顶点着色器和片段着色器作为整个管线的开头与结尾，有较为特殊的处理。

顶点着色器中需要特殊的输入（顶点属性）， layout (location = 0) 。这种输入需要在 C++代码中通过 glVertexAttribPointer 进行传递，并在传递后通过 glEnableVertexAttribArray激活。例子可见 Hello Triangle。

顶点的数据可以不仅仅包含位置信息，因此 layout 也可以存在多个，每个单独处理一种数据。如顶点数据定义为如下形式，同时包含顶点的位置和顶点的颜色：

constexpr float vertices[] = {
    -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
    0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
    0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
    -0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f};

因此需要两个 layout 来处理数据，一个负责位置信息，一个负责顶点的颜色。顶点着色器定义如下：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;   // the position variable has attribute position 0
layout (location = 1) in vec3 aColor; // the color variable has attribute position 1

out vec3 ourColor; // output a color to the fragment shader

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
    ourColor = aColor; // set ourColor to the input color we got from the vertex data
}

在 CPP 中传递数据的代码如下：

// Position Attribute
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), static_cast<void*>(0));
glEnableVertexAttribArray(0);

// Color Attribute
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), reinterpret_cast<void*>(3 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);

其中参数说明，在这个例子中，一个顶点的数据由 6 个 float 组成，因此第五个参数为 6 * sizeof(float)。而对于颜色这个信息而言，是由第 4-6 个 float 组成，因此最后一个参数为 (void*)(3* sizeof(float)) 表示偏移量为三个 float 大小。

在例子中的顶点着色器中，输出了一个名为 ourColor 的 vec3 变量，因此片段着色器中，有对应的名为 ourColor 的输入。而片段着色器中必须要有一个 vec4 的输出，表示像素的颜色。片段着色器实例如下：

#version 330 core

in vec3 outColor;
out vec4 FragColor;

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

此时的效果为：

Color Attribute

实现代码可见：
03_Shaders

#Uniforms

Uniform是另一种将数据从 CPU 发送给 GPU 的方式。Uniform 有以下特征：

Uniform 类似于全局变量的概念，因此可以整个 Shader 程序中的任意 Shader 定义。
在设置了 Uniform 变量的值后，除非重置或更新数据，否则整个 Shader 程序中，Uniform 的值是保持不变的。
同名的 Uniform 可以在 Shader 程序中重复声明

如果在 Shader 中声明了一个 Uniform 变量，但从未使用。在编译 Shader 的时候，会将这个 Uniform 变量删除。这可能会造成 CPU 侧传输数据时的 Bug。

在 Shader 中声明 Uniform 变量的方式如下：

// ...
uniform vec4 uniColor;

//...

Uniform 变量传递的过程如下所示：

float greenValue = (sin(timeValue) / 2.0f) + 0.5f;
int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "uniColor");
glUseProgram(shaderProgram);
glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

glGetUniformLocation 函数从 shader 程序中，找到 Uniform 变量的地址。第一个参数为 Shader 程序，第二个参数为 Uniform 变量的名称。如果返回值为-1，说明未找到。

glUniform4f 函数通过获取到的地址，传递参数。 glUniform4f 有很多的函数变种（不是重载），变种都依靠函数最后的两个字符决定：

f 表示传递的通道类型为 float
i 表示传递的通道类型为 int
ui 表示传递的通道类型为 unsigned int
fv 表示传递的是 float 的向量或数组
3f 表示有三个通道

当通过 glGetUniformLocation 获取地址时，不要求 Shader 程序被使用。但是通过类似于 glUniform4f 等函数赋值时，必须保证 Shader 程序被使用。

因为我们已经封装了 Shader.h，所以实际使用的方式会与上述的示例有所不同。

此时的结果如下所示：

实现代码可见 CH 03 Shaders_Uniform

《Learn OpenGL》 Ch 03 Shaders

#GLSL

#类型

#输入输出

#Uniforms