着色器

着色器是运行在GPU上的小程序。着色器只是一种把输入转化为输出的程序。着色器也是一种非常独立的程序，因为它们之间不能相互通信；它们之间唯一的沟通只有通过输入和输出。

GLSL

GLSL是一种类C语言写的，用作于着色器。为图形计算量身定制，包含一些对向量和矩阵操作的有用特性。
着色器开头要 声明版本，声明输入和输出变量，下来是uniform和main函数。每个着色器的入口点都是main函数，在main函数中处理所有的输入变量，并将结果输出到输出变量中。典型着色器结构如下：

#version version_number
in type in_variable_name;
in type in_variable_name;

out type out_variable_name;

uniform type uniform_name;

int main()
{
  // 处理输入并进行一些图形操作
  ...
  // 输出处理过的结果到输出变量
  out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}

这个结构用到顶点着色器，每个输入变量也叫顶点属性。能声明的顶点属性是有上限的，通常由硬件决定，OpenGL确保至少有16个包含4分量的顶点属性可用，但是有些硬件或许允许更多的顶点属性，你可以查询GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS来获取具体的上限：

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

GLSL的数据类型

GLSL有数据类型可以来指定变量的种类。GLSL中包含C等其它语言大部分的默认基础数据类型：int、float、double、uint和bool。GLSL也有两种容器类型，它们会在这个教程中使用很多，分别是向量(Vector)和矩阵(Matrix)

向量

GLSL中的向量是一个可以包含有2、3或者4个分量的容器，分量的类型可以是前面默认基础类型的任意一个。它们可以是下面的形式（n代表分量的数量）：
vecn 包含n个float分量的默认向量
bvecn 包含n个bool分量的向量
ivecn 包含n个int分量的向量
uvecn 包含n个unsigned int分量的向量
dvecn 包含n个double分量的向量
一个向量的分量可以通过vec.x这种方式获取，这里x是指这个向量的第一个分量。可以分别使用.x、.y、.z和.w来获取它们的第1、2、3、4个分量。GLSL也允许你对颜色使用rgba，或是对纹理坐标使用stpq访问相同的分量。
向量这个数据类型允许灵活的分量选择方式，叫做重组：

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

可以使用上面4个字母任意组合来创建一个和原来向量一样长的（同类型）新向量，只要原来向量有那些分量即可；但不允许在一个vec2向量中去获取.z元素
可以把一个向量作为一个参数传给不同的向量构造函数，以减少需求参数的数量，举例如下：

vec2 vect = vec2(0.5, 0.7);
vec4 result = vec4(vect, 0.0, 0.0);
vec4 otherResult = vec4(result.xyz, 1.0);

输入与输出

着色器是各自独立的小程序，但是都是一个整体的一部分。GLSL定义了 in 和 out 关键字专门实现着色器的输入和输出。只要一个输出变量与下一个着色器阶段的输入匹配，就会传递下去。这个再顶点着色器和片段着色器中有不同点：
顶点着色器接手的是一种特殊形式的输入，是从顶点数据中直接接收输入。使用location 这个元数据指定输入变量，这样才可以再CPU上配置顶点属性。 顶点着色器需要为它的输入额外提供一个layout标识：layout (location = 0)，这样才可以链接到顶点数据
补充：
也可以忽略layout标识，直接通过glGetAttribLocation 查询属性位置值，也就是Location。但是再着色器中设置的话，可以容易理解并节省工作量。

片段着色器，需要一个vec4 颜色输出变量，因为片段着色器需要生成一个最终输出的颜色。如果再片段着色器中没有定义输出颜色，那么OpenGL会把物体渲染为黑或白色。

当类型和名字都一样的时候，OpenGL就会把两个变量链接到一起，它们之间就能发送数据了（这是在链接程序对象时完成的）。让顶点着色器为片段着色器决定颜色。举例如下：

//顶点着色器
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos; // 位置变量的属性位置值为0

out vec4 vertexColor; // 为片段着色器指定一个颜色输出

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0); // 注意我们如何把一个vec3作为vec4的构造器的参数
    vertexColor = vec4(0.5, 0.0, 0.0, 1.0); // 把输出变量设置为暗红色
}
//片段着色器
#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec4 vertexColor; // 从顶点着色器传来的输入变量（名称相同、类型相同）

void main()
{
    FragColor = vertexColor;
}

在顶点着色器中声明了一个vertexColor变量作为vec4输出，并在片段着色器中声明了一个类似的vertexColor。由于它们名字相同且类型相同，片段着色器中的vertexColor就和顶点着色器中的vertexColor链接了。由于我们在顶点着色器中将颜色设置为深红色，最终的片段也是深红色的。

此步骤完成了由顶点着色器向片段着色器发送数据的过程。下面需要学习从应用程序之间给片段着色器发送颜色

Uniform

是一种从CPU中的应用直接向GPU中的着色器发送数据的方式，但是uniform和顶点属性不同。
uniform是全局的。意味着该变量必须再每个着色器程序对象中都是独一无二的，可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。其次，无论把uniform设置成什么值，它都会保存他们的数据，直到数据被重置或更新。
在一个着色器中添加uniform关键字至类型和变量名前来声明一个GLSL的uniform。从此处开始我们就可以在着色器中使用新声明的uniform了。通过uniform设置三角形的颜色：

//在片段着色器中声明一个uniform
#version 330 core
out vec4 FragColor;

uniform vec4 ourColor; // 在OpenGL程序代码中设定这个变量

void main()
{
    FragColor = ourColor;
}

在代码中把片段着色器的输出颜色设置为uniform的值。因为uniform是全局变量，可以在任何着色器中定义，而不许通过顶点着色器作为中介。因为顶点着色器中不需要uniform，所以不需要在顶点着色器中定义uniform。

注意：声明一个uniform但在GLSL代码中没用过，编译器会静默移除该变量，导致最后编译出的版本中不会包含它。

上述代码中的uniform的值是空的，还没有给它添加任何数据。首先需要找到着色器中uniform属性的索引，或者是位置值。当得到后，就可以更新它的值了。举例：不给像素单独一个颜色，而是让它随时间改变颜色

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

解读如下：
1。首先通过glfwGetTime()获取运行的秒数。然后我们使用sin函数让颜色在0.0到1.0之间改变，最后将结果储存到greenValue里。
2。用glGetUniformLocation查询uniform ourColor的位置值。我们为查询函数提供着色器程序和uniform的名字（这是我们希望获得的位置值的来源）。如果glGetUniformLocation返回-1就代表没有找到这个位置值。
3。最后，我们可以通过glUniform4f函数设置uniform值。注意，查询uniform地址不要求你之前使用过着色器程序，但是更新一个uniform之前你必须先使用程序（调用glUseProgram)，因为它是在当前激活的着色器程序中设置uniform的。

补充：
因为OpenGL在其核心是一个C库，所以它不支持类型重载，在函数参数不同的时候就要为其定义新的函数；glUniform是一个典型例子。这个函数有一个特定的后缀，标识设定的uniform的类型。可能的后缀有：
f 函数需要一个float作为它的值
i 函数需要一个int作为它的值
ui 函数需要一个unsigned int作为它的值
3f 函数需要3个float作为它的值
fv 函数需要一个float向量/数组作为它的值

每当配置一个OpenGL的选项时就可以简单地根据这些规则选择适合你的数据类型的重载函数。

如果想让颜色缓慢变化，需要在循环的每一次迭代中更新uniform，否则颜色不会变。代码如下：

while(!glfwWindowShouldClose(window))
{
    // 输入
    processInput(window);

    // 渲染
    // 清除颜色缓冲
    glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    // 记得激活着色器
    glUseProgram(shaderProgram);

    // 更新uniform颜色
    float timeValue = glfwGetTime();
    float greenValue = sin(timeValue) / 2.0f + 0.5f;
    int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
    glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

    // 绘制三角形
    glBindVertexArray(VAO);
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

    // 交换缓冲并查询IO事件
    glfwSwapBuffers(window);
    glfwPollEvents();
}

综上，代码如下：

在这里插入代码片

如果想让每个顶点都有自己的颜色，那么需要声明和顶点数目一样多的uniform。更好的方法是：在顶点属性中包含更多的数据

更多属性

上述内容描述了如何填充VBO，配置顶点属性指针，以及存储到一个VAO中。当然也可以把颜色数据添加为3个float值到vertices数组中。

float vertices[] = {
    // 位置              // 颜色
     0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f,   // 右下
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,   // 左下
     0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f    // 顶部
};

有更多的数据要发送到顶点着色器，有必要去调整一下顶点着色器，使它能够接收颜色值作为一个顶点属性输入。需要注意的是我们用layout标识符来把aColor属性的位置值设置为1：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;   // 位置变量的属性位置值为 0 
layout (location = 1) in vec3 aColor; // 颜色变量的属性位置值为 1

out vec3 ourColor; // 向片段着色器输出一个颜色

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
    ourColor = aColor; // 将ourColor设置为我们从顶点数据那里得到的输入颜色
}

由于我们不再使用uniform来传递片段的颜色了，现在使用ourColor输出变量，需要再修改一下片段着色器：

#version 330 core
out vec4 FragColor;  
in vec3 ourColor;

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

另外，因为添加了一个顶点属性，并更新了VBO的内存，所以必须重新配置顶点属性指针。更新后的VBO如下：

然后使用glVertexAttribPointer函数更新顶点格式：

// 位置属性
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// 颜色属性
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3* sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(1);

由于我们现在有了两个顶点属性，我们不得不重新计算步长值。为获得数据队列中下一个属性值（比如位置向量的下个x分量）我们必须向右移动6个float，其中3个是位置值，另外3个是颜色值。这使我们的步长值为6乘以float的字节数（=24字节）。
同样，这次我们必须指定一个偏移量。对于每个顶点来说，位置顶点属性在前，所以它的偏移量是0。颜色属性紧随位置数据之后，所以偏移量就是3 * sizeof(float)，用字节来计算就是12字节。

这样得到的三角形是每个角都是不同的颜色，但是没有混合起来。因为在片段着色器中进行的 片段插值 的结果。当渲染一个三角形时，光栅化(Rasterization)阶段通常会造成比原指定顶点更多的片段。光栅会根据每个片段在三角形形状上所处相对位置决定这些片段的位置。
基于这些位置，它会插值(Interpolate)所有片段着色器的输入变量。比如说，我们有一个线段，上面的端点是绿色的，下面的端点是蓝色的。如果一个片段着色器在线段的70%的位置运行，它的颜色输入属性就会是一个绿色和蓝色的线性结合；更精确地说就是30%蓝 + 70%绿。
这正是在这个三角形中发生了什么。我们有3个顶点，和相应的3个颜色，从这个三角形的像素来看它可能包含50000左右的片段，片段着色器为这些像素进行插值颜色。如果你仔细看这些颜色就应该能明白了：红首先变成到紫再变为蓝色。片段插值会被应用到片段着色器的所有输入属性上。

自己的着色器类

写一个类来让过程简单一点，它可以从硬盘读取着色器，然后编译并链接它们，并对它们进行错误检测，这就变得很好用了。这也会让你了解该如何封装目前所学的知识到一个抽象对象中。
我们会把着色器类全部放在在头文件里，主要是为了学习用途，当然也方便移植。我们先来添加必要的include，并定义类结构：

#ifndef SHADER_H
#define SHADER_H

#include <glad/glad.h>; // 包含glad来获取所有的必须OpenGL头文件

#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>


class Shader
{
public:
    // 程序ID
    unsigned int ID;

    // 构造器读取并构建着色器
    Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath);
    // 使用/激活程序
    void use();
    // uniform工具函数
    void setBool(const std::string &name, bool value) const;  
    void setInt(const std::string &name, int value) const;   
    void setFloat(const std::string &name, float value) const;
};

#endif

注意：在上面，我们在头文件顶部使用了几个预处理指令(Preprocessor Directives)。这些预处理指令会告知你的编译器只在它没被包含过的情况下才包含和编译这个头文件，即使多个文件都包含了这个着色器头文件。它是用来防止链接冲突的。

着色器类储存了着色器程序的ID。它的构造器需要顶点和片段着色器源代码的文件路径，这样我们就可以把源码的文本文件储存在硬盘上了。除此之外，为了让我们的生活更轻松一点，还加入了一些工具函数：use用来激活着色器程序，所有的set…函数能够查询一个unform的位置值并设置它的值。

Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath)
{
    // 1. 从文件路径中获取顶点/片段着色器
    std::string vertexCode;
    std::string fragmentCode;
    std::ifstream vShaderFile;
    std::ifstream fShaderFile;
    // 保证ifstream对象可以抛出异常：
    vShaderFile.exceptions (std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
    fShaderFile.exceptions (std::ifstream::failbit | std::ifstream::badbit);
    try 
    {
        // 打开文件
        vShaderFile.open(vertexPath);
        fShaderFile.open(fragmentPath);
        std::stringstream vShaderStream, fShaderStream;
        // 读取文件的缓冲内容到数据流中
        vShaderStream << vShaderFile.rdbuf();
        fShaderStream << fShaderFile.rdbuf();       
        // 关闭文件处理器
        vShaderFile.close();
        fShaderFile.close();
        // 转换数据流到string
        vertexCode   = vShaderStream.str();
        fragmentCode = fShaderStream.str();     
    }
    catch(std::ifstream::failure e)
    {
        std::cout << "ERROR::SHADER::FILE_NOT_SUCCESFULLY_READ" << std::endl;
    }
    const char* vShaderCode = vertexCode.c_str();
    const char* fShaderCode = fragmentCode.c_str();
    [...]

下一步，我们需要编译和链接着色器。注意，我们也将检查编译/链接是否失败，如果失败则打印编译时错误，调试的时候这些错误输出会及其重要（总会需要这些错误日志的）：

// 2. 编译着色器
unsigned int vertex, fragment;
int success;
char infoLog[512];

// 顶点着色器
vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
glShaderSource(vertex, 1, &vShaderCode, NULL);
glCompileShader(vertex);
// 打印编译错误（如果有的话）
glGetShaderiv(vertex, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if(!success)
{
    glGetShaderInfoLog(vertex, 512, NULL, infoLog);
    std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
};

// 片段着色器也类似
[...]

// 着色器程序
ID = glCreateProgram();
glAttachShader(ID, vertex);
glAttachShader(ID, fragment);
glLinkProgram(ID);
// 打印连接错误（如果有的话）
glGetProgramiv(ID, GL_LINK_STATUS, &success);
if(!success)
{
    glGetProgramInfoLog(ID, 512, NULL, infoLog);
    std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
}

// 删除着色器，它们已经链接到我们的程序中了，已经不再需要了
glDeleteShader(vertex);
glDeleteShader(fragment);

use函数实现：

void use() 
{ 
    glUseProgram(ID);
}

uniform的setter函数也很类似：

void setBool(const std::string &name, bool value) const
{
    glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), (int)value); 
}
void setInt(const std::string &name, int value) const
{ 
    glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value); 
}
void setFloat(const std::string &name, float value) const
{ 
    glUniform1f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value); 
}

写完了一个完整的着色器类。使用这个着色器类很简单；只要创建一个着色器对象，从那一点开始我们就可以开始使用了：

Shader ourShader("path/to/shaders/shader.vs", "path/to/shaders/shader.fs");
...
while(...)
{
    ourShader.use();
    ourShader.setFloat("someUniform", 1.0f);
    DrawStuff();
}

我们把顶点和片段着色器储存为两个叫做shader.vs和shader.fs的文件。你可以使用自己喜欢的名字命名着色器文件；用.vs和.fs作为扩展名很直观：

Shader ourShader("path/to/shaders/shader.vs", "path/to/shaders/shader.fs");
...
while(...)
{
    ourShader.use();
    ourShader.setFloat("someUniform", 1.0f);
    DrawStuff();
}