GLSL着色语言学习。橙皮书第一个例子GLSL+OpenTK+F#的实现。-白红宇

GLSL着色语言学习。橙皮书第一个例子GLSL+OpenTK+F#的实现。

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发布时间：2019-06-21

本文共 8312 字，大约阅读时间需要 27 分钟。

　　Opengl红皮书有选择的看了一些，最后的讲着色语言GLSL的部分看的甚为不理解，然后找到Opengl橙皮书，然后就容易理解多了。　

　　在前面，我们或多或少接触到Opengl的处理过程，只说前面一些处理，简单来说：顶点操作-组装图形-栅栏化-片断处理-帧缓冲。其中顶点操作相当于我们在程序里设定顶点，法向量等，组装图形就是opengl以我们设定的格式连接顶点，如组装成三角形，四边形等。栅栏化就是把上部操作的图元分解成更小的单元，如一个三角形里有100个像素，在这个过程会转换成100个片断，这个片断包含了窗口坐标，深度，颜色，纹理坐标等组成。片断处理就是把上面生成的片断进行一些如组合纹理，雾效果等。

　　在最开始，Opengl在上面的各个处理被设置好，如前面，我们按照给定的API来打开光照，设定纹理，设定材质等，这个在大部分情况下已经能得到比较好的效果，但是通过Opengl API，我们不能更改Opengl图形管道的一些基本操作，也不能改变相应的顺序，如果想要实现一些特殊的效果，可能就实现不了了。GLSL就是在这种情况下出现的，主要是允许应用程序对在Opengl处理流程进行自己的实现。

　　GLSL让我现在的理解，就是语法简单，用起来就需要经验了，为什么这么说，因为GLSL的语法是在C和C++的基础了简化了一些元素与特性，如GLSL里没有指针，字符串以及相应操作，不支持double，byte,short,long以及相应的符号形式。以及联合，枚举。大家可以想象一下，还有什么在里面，但是用起来一点都不简单，就我现在的感觉，里面内置的函数，相关变量，常量不少，灵活运用肯定需要一定的GLSL代码量。最后GLSL为了突出图形计算这块，内置了一些图形计算所需要的结构vec3,vec4,mat4等，最后GLSL和F#一样，不支持数据类型自动提升，如float f = 1这个是错的，应该是 f = 1.0.

　　GLSL通常会包含二种着色器，顶点着色器和片断着色器，最常见用法是在顶点着色器里生成所需要的值，然后传给片断着色器用。着色器中常用限定符有attribute,unifrom,varying,const.其中attribute是应用程序传给顶点着色器用的，着色器不能修改。unifrom一般是应用程序用于设定顶点着色器和片断着色器相关初始化值。varying用于传递顶点着色器的值给片断着色器。const和C++里差不多，定义不可变常量。

　　GLSL内置的相关变量，常量，结构大家在OpenGL橙皮书里找。下面我们来完整的实现OpenGL的第一个例子，砖墙。顶点着色器如下：

1 //一致变量 设置灯光位置(提供眼睛坐标位置) 2 uniform vec3 LightPosition; 3 //常量 镜面反射强度 4 const float SpecularContribution = 0.3; 5 //常量 漫反射强度 6 const float DiffuseContribution = 1.0 - SpecularContribution; 7 //物体顶点上的光强度 易变变量 传给片断着色器 8 varying float LightIntensity; 9 //物体顶点位置10 varying vec2 MCposition;11 //顶点着色器入口12 void main(void)13 {14     //顶点在视图坐标中的位置15     vec3 ecPosition = vec3(gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex);16     //顶点在视图坐标中的法向量,gl_NormalMatrix为gl_ModelViewMatrix逆矩阵的倒置矩阵17     vec3 tnorm = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);18     //视图坐标中灯光的位置 取顶点到灯光的单位向量19     //LightPosition如果是全局坐标里的值，应该进行gl_ModelViewMatrix转换20     vec3 lightVec = normalize(LightPosition - ecPosition);21     //灯光到顶点经过tnorm的表面反射光向量 reflect i n = i - 2.0*dot(N,I)*N22     vec3 reflectVec = reflect(-lightVec,tnorm);23     //查看位置向量单位向量 就是在视图坐标中，眼睛到顶点的向量.eye(0,0,0)24     vec3 viewVec = normalize(-ecPosition);25 26     //一是用来计算lightVec的tnorm角度，二是计算lightVec在顶点上的漫反射强度27     float diffuse = max(dot(lightVec,tnorm),0.0);28     float spec = 0.0;29     //只有lightVec与tnorm的角度在90度之间，才可能反射光照30     if(diffuse > 0.0)31     {        32         //计算反射光在人看的方向上的分量。角度越少，分量越多。33         spec = max(dot(reflectVec,viewVec),0.0);34         spec = pow(spec,16.0);35     }36     //计算光照，主要成分为漫反射与镜面反射37     LightIntensity = DiffuseContribution * diffuse + SpecularContribution * spec;38     //传个片断着色器的x,y位置39     MCposition = gl_Vertex.xy;40     //定点坐标位置不变性41     gl_Position = ftransform();42 }

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第一个例子，我注释还是写的很满的，这里说下其中reflect函数的算法：

给出橙皮书里的图片，增加大家的理解：

在顶点着色器上，我们可以看到光照的计算是怎么样的，可以看到，漫反射只和灯光与物体的角度与强度有关，而镜面反射不仅和灯光与物体角度有关，还有人与反射灯光的位置有关。

在片断着色器上，我们可以看到对许多OpenGL内置函数的运用。

1 uniform vec3 BrickColor, MortarColor; 2 //整个砖(砖与外边) 3 uniform vec2 BrickSize; 4 //只包含砖的大小 5 uniform vec2 BrickPct; 6 //片断着色器传过来的值 7 varying vec2 MCposition; 8 varying vec2 LightIntensity; 9 void main(void)10 {11     vec3 color;12     vec2 position,useBrick;13     //得到在整个砖墙中属于在那块整个砖中14     //如结果是(2.2,3.8)表示在第三行中的第二块的右下角((0.2,0.8)在(1.0,1.0)的位置)15     position = MCposition / BrickSize;16     //单数行比双数行的起点多半块砖17     if(fract(position.y * 0.5) > 0.5)18         position.x += 0.5;19     //得到在本身砖块的详细位置20     position = fract(position);21     //确认是砖,还是外边22     useBrick = step(position,BrickPct);23     color = mix(MortarColor,BrickColor,useBrick.x * useBrick.y);24     color *= LightIntensity;25     gl_FragColor = vec4(color,1.0);26 }

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整个过程还是很好理解的，position = MCposition / BrickSize;这句，如果postion是(2.2,3.8)表示在第三行中的第二块的右下角((0.2,0.8)在(1.0,1.0)的位置),可以看到他整数位与小数位分别表示不同的意思。

最后，我们要运用我们的着色器代码，以及完成相关参数传入：

1 type GLSLCommon()= 2     static member CreateShadersForString(shaderType:ShaderType,source:string)= 3         let shaderObject = GL.CreateShader(shaderType) 4         GL.ShaderSource(shaderObject,source) 5         GL.CompileShader(shaderObject) 6         let log = GL.GetShaderInfoLog(shaderObject) 7         let status = GL.GetShader(shaderObject,ShaderParameter.CompileStatus) 8         shaderObject,status//,log 9     static member CreateShadersForFile(shaderType:ShaderType,fileName:string)=   10         if not (File.Exists(fileName)) then failwith "not find file!"     11         let fs = new StreamReader(fileName)12         let source = fs.ReadToEnd()13         fs.Close()14         let result = GLSLCommon.CreateShadersForString(shaderType,source)15         result16     static member CreateShaders(shaderType:ShaderType,code:string) =17         let result = if File.Exists(code) then GLSLCommon.CreateShadersForFile(shaderType,code) else GLSLCommon.CreateShadersForString(shaderType,code) 18         result19     static member CreateProgram([
      
       ]shader:(int*int) []) =20         let program = GL.CreateProgram()21         shader |> Array.iter (fun p -> GL.AttachShader(program,fst p))22         GL.LinkProgram(program)23         shader |> Array.iter (fun p -> GL.DeleteShader(fst p))24         GL.LinkProgram(program)25         let log = GL.GetProgramInfoLog(program)26         let status = GL.GetProgram(program,ProgramParameter.LinkStatus)27         program,status28     static member GetUniform(programID:int,name:string) =29         GL.GetUniformLocation(programID,name)30     static member SetUniform(programID:int,name:string,[
       
        ]value:int[]) =31         let uniformID = GLSLCommon.GetUniform(programID,name)32         if value.Length = 1 then GL.Uniform1(uniformID,value.[0])33         if value.Length = 2 then GL.Uniform2(uniformID,value.[0],value.[1])34         if value.Length = 3 then GL.Uniform3(uniformID,value.[0],value.[1],value.[2])35         if value.Length = 4 then GL.Uniform4(uniformID,value.[0],value.[1],value.[2],value.[3])36     static member SetUniform(programID:int,name:string,[
        
         ]value:System.Single[]) =37         let uniformID = GLSLCommon.GetUniform(programID,name)38         if value.Length = 1 then GL.Uniform1(uniformID,value.[0])39         if value.Length = 2 then GL.Uniform2(uniformID,value.[0],value.[1])40         if value.Length = 3 then GL.Uniform3(uniformID,value.[0],value.[1],value.[2])41         if value.Length = 4 then GL.Uniform4(uniformID,value.[0],value.[1],value.[2],value.[3])42 43 type GLSLProgram()=44     let programId = GL.CreateProgram()45     member this.ID with get() = programId46     member this.LinkSources([
         
          ]sources:(ShaderType * string)[]) =47         let shader = sources |> Array.map(fun p -> GLSLCommon.CreateShaders(fst p,snd p))48         shader |> Array.iter (fun p -> GL.AttachShader(programId,fst p))49         GL.LinkProgram(programId)50         shader |> Array.iter (fun p -> GL.DeleteShader(fst p))51         GL.LinkProgram(programId)52         let log = GL.GetProgramInfoLog(programId)53         let status = GL.GetProgram(programId,ProgramParameter.LinkStatus)54         status,log55     member this.GetUniform(name:string)=56         GLSLCommon.GetUniform(programId,name)57     member this.SetUniform(name:string,[
          
           ]values:int[]) =58         GLSLCommon.SetUniform(programId,name,values)59      member this.SetUniform(name:string,[
           
            ]values:System.Single[]) =60 GLSLCommon.SetUniform(programId,name,values) 61 62 let result = program.LinkSources((ShaderType.VertexShader,"Data/Shaders/Brick_VS.glsl"),(ShaderType.FragmentShader,"Data/Shaders/Brick_FS.glsl"))63 64 override v.OnRenderFrame e =65 base.OnRenderFrame e66 GL.Clear(ClearBufferMask.ColorBufferBit ||| ClearBufferMask.DepthBufferBit)67 GL.UseProgram(program.ID) 68 let mutable lookat = Matrix4.LookAt(caram.Eye,caram.Target,Vector3.UnitY)69 GL.MatrixMode(MatrixMode.Modelview)70 GL.LoadMatrix(&lookat)71 program.SetUniform("LightPosition",0.f,0.f,-5.f)72 program.SetUniform("BrickColor",1.0f,0.3f,0.2f)73 program.SetUniform("MortarColor",0.85f,0.86f,0.84f)74 program.SetUniform("BrickSize",1.2f,1.f)75 program.SetUniform("BrickPct",0.9f,0.85f)76 GL.Normal3(-Vector3.UnitZ)77 GL.Begin(BeginMode.Quads) 78 GL.Vertex3(-6.6f, -6.4f,1.f) 79 GL.Vertex3(6.6f, -6.4f,1.f)80 GL.Vertex3(6.6f, 6.4f,1.f) 81 GL.Vertex3(-6.6f, 6.4f,1.f)82 GL.End();83 v.SwapBuffers()

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相关链接与编译的代码我整理了下，方便以后调用。整个过程没什么好说的，可以看到处理很简单，没有打开光照啥的，但是相应处理全是用我们写的着色器。我们来看下效果图：

注意在OpenTK中，相关着色器源码不能出现中文注释，否则他不能申请正确的内存空间。

最后给出相应的源码：

转载地址：http://nouna.baihongyu.com/

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