OPENGL ES 2.0 知识串讲 (3)——SHADER的功能GLSL语法(I)

Shader 的功能

OpenGL ES 2.0 对应的 Shader 有两种,vertex shader 和 fragment shader。

Vertex shader 的输入为顶点相关的信息数据,输出分为两部分,必须输出的部分是该顶点最终显示在屏幕上的坐标信息,可选输出的是该顶点对应的其他信息(比如颜色、纹理坐标等)。Vertex shader 一次只能操作一个顶点。

Fragment shader 的输入为屏幕上像素点的信息(坐标以及坐标对应像素从 Vertex Shader 传过来的颜色、纹理坐标等信息)。Fragment shader 不能修改一个像素的位置,在操作一个像素点的时候,也不能访问旁边的像素点。Fragment Shader 通过对顶点信息进行操作,输出每个像素点的颜色。输出值用于更新绘制 buffer 中的 color buffer 或者其他目标 buffer。

Shader 文件看上去其实和一个普通的.c 或者.cpp 文件很像。有预处理,会定义一些变量,有 main 函数,会根据变量进行一些运算,并得到一些结果。

在 Vertex shader 中 main 函数中最终得到的结果是顶点坐标 gl_Position。

Fragment shader 结构和 VS 基本相同。在 main 函数中计算得到的最终结果是像素点的颜色值 gl_FragColor。

VS 和 PS 相似,但是又存在一些不同之处,里面存在着一些我们从未见过的关键词。从现在开始的四节内容,我们将来学习 GLSL 语法,以及如何使用 GLSL 语言编写 Shader。

GLSL 预处理

首先我们来看预处理。

Shader 中预处理的语法与我们熟悉的语法类似。Shader 支持如下这些预处理的方式。

如果一行中只有一个#,这种用法是支持的,但是这一行会被忽略掉。#前只能放置空格或者 tab,而在其后面如果有内容的话,则是指令。

#define 和#undef 与 c/c++中类似,都是用于定义宏定义。后面选择可以跟或不跟宏参数。

#if、#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif 这些条件判断宏与 c++中也类似, 但是稍微有一些区别,在这些宏的后面只能跟随数字运算或者 define 定义的宏定义。未被 define 定义的识别符不会被默认为 0,如果使用它们会导致 error。不支持字母常量。

在操作符中,不支持连字符##或者 sizeof 等。

我们也稍微举几个和 c++一致的例子,比如&&与操作符,只有在左边不为 0 的时候才计算右边的运算。再比如||或操作符,只有在左边为 0 的时候,才进行右边的运算。没有参加运算的地方,如果使用到了一个未定义的标识符,不会报错。

预处理中的运算是在编译的时候进行。

#error 会将错误信息放到 shader 的 log 中,我们可以通过 OpenGL ES 的 API 获取 shader 的 log。#error 后面的所有信息,一直到新的一行的开始为止,都会出现在 shader 的 log 中。存在#error 的 shader,我们会认为是一个错误的 shader。

#pragma 是用于通过它后面的参数,控制编译。比如它后面写的是 STDGL, 是用于限定指令不能以 STDGL 开头,因为这些已经被预留了。再比如它后面可以跟 optimize(on)或者 optimize(off),这个是用于在开发和调试 shader 的时候关闭和开启优化使用的,必须用在 shader 的函数之外,默认情况下所有的 shader 的优化都是打开的。

pragma 后面还可以跟 debug(on)或者 debug(off),用于开启 debug 信息。必须用在 shader 的函数之外,默认情况下所有的 shader 的 debug 都是关闭的。

由于在 GLSL 预处理的时候就会进行一些检查,如果需要引入一些 extension, 那么就需要在早一些被引入。在预处理中,引入 extension 是通过了#extension 来引入,引入的时候#extension 后面跟上 extension 的名字或者跟上 all,all 的意思是编译器支持的所有 extension。然后,再在后面跟上冒号和 behavior。

当 behavior 为 required 的时候,就是指当前 shader 需要用到某个 extension, 如果指定的 extension 不支持,返回 error。

当 behavior 为 enable 的时候,就是指当前 shader 会打开某个 extension 的语法。比 require 的需求稍微弱一点,所以如果指定的 extension 不支持,返回 warn。

使用#extension all required 和#extension all enable 都会返回 error。

当 behavior 为 warn 的时候,也是打开了某个 extension 的语法,如果该 extension 定义了一些 warn 的情况,那么除非是在另外一个已经被 enable 或者 require 的 extension 支持,否则一旦遇到这些 warn 的情况,就会报 warn。如果 #extension 后面跟的是 all 的话,所有 extension 中定义的 warn 一旦遇到,就都会报 warn。如果指定的 extension 不支持,返回 warn。

当 behavior 为 disable 的时候,指定的 extension 就不被支持。如果指定的 extension 不支持,则返回 warn。如果#extension 后面跟的是 all 的话,那么所有的 extension 规定的语法就都被 disable 了,仅使用 main spec 中的语法。

编译器的初始状态相当于执行了指令:#extension all:disable。指定当前 shader 按照 spec 规定的语法规则,并没有引入任何 extension。

#extension 是从底层控制 extension 的方式,一般指定哪些 extension 组合需要被支持。从顺序上说,后面的#extension 会覆盖前面的#extension。而#extension all 会覆盖前面所有的。不过只有 warn 和 disable 支持 all。

extension 的定义必须在所有非预处理语法之前,extension 的定义是有使用范围的,如果没有特殊指明,那么使用范围就是当前 shader。如果必要的话,linker可以提高 extension 的使用范围,从而扩展到所有包含的 shader 中。

每个 extension 都有对应的宏定义,该宏被定义在 extension 的实现中。所有在 shader 中,可以使用#ifdef 判断某个宏是否被定义了。如果被定义了,说明该宏对应的 extension 被引入了,那么就可以在代码中使用 extension 引入的语法, 如果没有被定义,则不能使用该 extension 引入的新语法。

#version 用于定义该 shader 使用语言的版本号。如果使用 GLSL100,那么这里就要在#version 后面写个 100。这个数值如果写小于 100,或者大于最新的 GLSL 的版本都不对。所有的 shader 中理论上都应该存在该字段,但是在 GLSL100 中, #version 100 这个预处理并不是必须的,因为默认 GLSL 的版本号就是 100。所以如果一个 shader 中没有写#version,那么就默认为是#version 100。

#version 必须写在一个 shader 的最前面,前面只能有注释或者空格。

#line 后面会跟一个常数,比如#line 10。执行了这个指令后,紧随其后的一行代码则被认为是 line 10。

#line 后面也可以跟两个常数,比如#line 10 100。执行了这个指令后,紧随其后的一行代码则被认为是 line 10。而且该行的第一个 string 的 number 会被认为是 100。然后从该行往下,行号和 string number 都会递加,一直到下一个#line 指令。

上述所说的这些指令中,假如在一个 shader 中使用到了两个冲突的指令, 那么结果就是未定义。编译器有可能报错,也可能不报错,这个要看编译器的具体实现。

在 shader 中存在一些预定义的宏定义,比如 LINE,这个宏定义代表着其当前所在行的行数+1。

再比如 FILE,代表着当前文件的文件名。

VERSION 代表当前 GLSL 的版本,常用的就是 GLSL1.0 和 1.3,对应的 VERSION 就是 100 和 130。

GL_ES 在 ES 系统中会被定义成 1,这个主要是用于判断当前 shader 是否运行在 ES 的系统中。

所有的以__开头或者以 GL_开头的宏定义都已经被保留了,也就是说开发者不可以定义这种规则的宏定义。