【OpenGL】Shader概述

这篇文章讲述了Shader是如何编译和链接，最终在OpenGL程序中使用的。当然，不了解这些我们仍然可以正常工作，但是作为初学者，了解这些会让我更能明白自己在干嘛。。。

综述

哈，大名鼎鼎的Shader终于让我给见到了……之前在学习Unity3D的时候就被群里的大牛耳濡目染说Shader如何如何重要，现在终于轮到自己领教了。吐槽完毕，进入正题。

Shader的编译器被内嵌到OpenGL库的内部，而且必须在运行OpenGL程序时才能编译。目前还没有可以提前编译Shader的工具。在最新的OpenGL4.1中好像正在改善。

目前的学习中，我使用的是这个教程提供的一个载入shader的代码。代码不长，功能不全，只能同时载入vertex shader和fragment shader（这里是保存在两个单独的文件里，后缀分别的vertexshader和fragmentshader，后缀不重要，即便是txt也可以，重要的是内容使用的是GLSL语法），但是对于初学者够用了。（实际上，我们通常需要至少两个shader。）代码如下：

GLuint LoadShaders(const char * vertex_file_path,const char * fragment_file_path){

    // Create the shaders
    GLuint VertexShaderID = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    GLuint FragmentShaderID = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);

    // Read the Vertex Shader code from the file
    std::string VertexShaderCode;
    std::ifstream VertexShaderStream(vertex_file_path, std::ios::in);
    if(VertexShaderStream.is_open())
    {
        std::string Line = "";
        while(getline(VertexShaderStream, Line))
            VertexShaderCode += "n" + Line;
        VertexShaderStream.close();
    }

    // Read the Fragment Shader code from the file
    std::string FragmentShaderCode;
    std::ifstream FragmentShaderStream(fragment_file_path, std::ios::in);
    if(FragmentShaderStream.is_open()){
        std::string Line = "";
        while(getline(FragmentShaderStream, Line))
            FragmentShaderCode += "n" + Line;
        FragmentShaderStream.close();
    }

    GLint Result = GL_FALSE;
    int InfoLogLength;

    // Compile Vertex Shader
    printf("Compiling shader : %sn", vertex_file_path);
    char const * VertexSourcePointer = VertexShaderCode.c_str();
    glShaderSource(VertexShaderID, 1, &VertexSourcePointer , NULL);
    glCompileShader(VertexShaderID);

    // Check Vertex Shader
    glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_COMPILE_STATUS, &Result);
    glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);
    std::vector VertexShaderErrorMessage(InfoLogLength);
    glGetShaderInfoLog(VertexShaderID, InfoLogLength, NULL, &VertexShaderErrorMessage[0]);
    fprintf(stdout, "%sn", &VertexShaderErrorMessage[0]);

    // Compile Fragment Shader
    printf("Compiling shader : %sn", fragment_file_path);
    char const * FragmentSourcePointer = FragmentShaderCode.c_str();
    glShaderSource(FragmentShaderID, 1, &FragmentSourcePointer , NULL);
    glCompileShader(FragmentShaderID);

    // Check Fragment Shader
    glGetShaderiv(FragmentShaderID, GL_COMPILE_STATUS, &Result);
    glGetShaderiv(FragmentShaderID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);
    std::vector FragmentShaderErrorMessage(InfoLogLength);
    glGetShaderInfoLog(FragmentShaderID, InfoLogLength, NULL, &FragmentShaderErrorMessage[0]);
    fprintf(stdout, "%sn", &FragmentShaderErrorMessage[0]);

    // Link the program
    fprintf(stdout, "Linking programn");
    GLuint ProgramID = glCreateProgram();
    glAttachShader(ProgramID, VertexShaderID);
    glAttachShader(ProgramID, FragmentShaderID);
    glLinkProgram(ProgramID);

    // Check the program
    glGetProgramiv(ProgramID, GL_LINK_STATUS, &Result);
    glGetProgramiv(ProgramID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);
    std::vector ProgramErrorMessage( max(InfoLogLength, int(1)) );
    glGetProgramInfoLog(ProgramID, InfoLogLength, NULL, &ProgramErrorMessage[0]);
    fprintf(stdout, "%sn", &ProgramErrorMessage[0]);

    glDeleteShader(VertexShaderID);
    glDeleteShader(FragmentShaderID);

    return ProgramID;
}

为了举例，我们以下都使用下面两个shader。

第一个shader是一个顶点着色器，vertex shader，文件名为ExampleShader.vertexshader。

#version 400
in vec3 VertexPosition;
in vec3 VertexColor;
out vec3 Color;
void main()
    Color = VertexColor;
    gl_Position = vec4( VertexPosition, 1.0 );
}

这里简单解释一下。它接受两个输入和一个输出，并使用输入VertexPosition给gl_position赋值，使用VertexColor给输出Color赋值，而Color将会传递给下面的片段着色器。

第二个是片段着色器，fragment shader，文件名为ExampleShader.fragmentshader。

#version 400
in vec3 Color;
out vec4 FragColor;
void main() {
   FragColor = vec4(Color, 1.0);
}

顶点着色器会在每个顶点上调用一次，而片段着色器则会在每个像素上调用一次。

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编译一个Shader

如上图所示，一个shader的编译过程主要分为3个部分：首先创建一个shader对象（Shader Object）。例如下面分别创建了两个shader对象：

    // Create the shaders
    GLuint VertexShaderID = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    GLuint FragmentShaderID = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);

然后将shader源代码（source code）复制到shader对象中。由于这里是从文件里读入代码，因此先将源代码分别读入到一个string类型的变量里（VertexShaderCode和FragmentShaderCode），再把指针传递给shader对象：

    // Read the Vertex Shader code from the file
    std::string VertexShaderCode;
    std::ifstream VertexShaderStream(vertex_file_path, std::ios::in);
    if(VertexShaderStream.is_open())
    {
        std::string Line = "";
        while(getline(VertexShaderStream, Line))
            VertexShaderCode += "n" + Line;
        VertexShaderStream.close();
    }

    char const * VertexSourcePointer = VertexShaderCode.c_str();
    glShaderSource(VertexShaderID, 1, &VertexSourcePointer , NULL);

最后，编译shader。通常我们需要检查一下shader是否编译成功，不成功的话再打出错误信息，这通过两个变量Result和InfoLogLength来实现：

    GLint Result = GL_FALSE;
    int InfoLogLength;

    glCompileShader(VertexShaderID);

    // Check Vertex Shader
    glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_COMPILE_STATUS, &Result);
    glGetShaderiv(VertexShaderID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);
    std::vector VertexShaderErrorMessage(InfoLogLength);
    glGetShaderInfoLog(VertexShaderID, InfoLogLength, NULL, &VertexShaderErrorMessage[0]);
    fprintf(stdout, "%sn", &VertexShaderErrorMessage[0]);

上面的筛选的vertex shader的编译过程，当然fragment shader的编译是一样的。

链接一个Shader

在我们编译完成shader后，正式在OpenGL管道中使用它们之前，我们还需要链接它们。这主要是为了解决不同shader之间的输入和输出匹配问题。例如这里，ExampleShader.vertexshader里的输出Color需要和ExampleShader.fragmentshader里的输入Color相匹配。

和编译shader类似，我们首先需要创建一个shader program object。

    GLuint ProgramID = glCreateProgram();

然后将之前创建好的shader object附加给它。

    glAttachShader(ProgramID, VertexShaderID);
    glAttachShader(ProgramID, FragmentShaderID);

最后，进行链接。

    glLinkProgram(ProgramID);

和之前需要检查编译状态类似，我们也需要检查链接状态，如果链接不成功，就打出提示信息。

    // Check the program
    glGetProgramiv(ProgramID, GL_LINK_STATUS, &Result);
    glGetProgramiv(ProgramID, GL_INFO_LOG_LENGTH, &InfoLogLength);
    std::vector ProgramErrorMessage( max(InfoLogLength, int(1)) );
    glGetProgramInfoLog(ProgramID, InfoLogLength, NULL, &ProgramErrorMessage[0]);
    fprintf(stdout, "%sn", &ProgramErrorMessage[0]);

删除一个Shader

在我们把一个shader对象附加一个program对象后，我们就可以删除它了，以便释放它占用的资源和句柄。注意，如果一个shader已经被附加到一个program对象（比如现在），那么实际上它并没有立刻被删除，而是出于一种挂起状态。当它从附加的program对象上被卸载时，才会真正从内存中删除。

    glDeleteShader(VertexShaderID);
    glDeleteShader(FragmentShaderID);

指定使用一个Shader Program

为了在OpenGL管道里真正使用我们创建好的shader program对象，我们需要使用glUseProgram( ProgramID);函数，ProgramID就是上面函数的返回值，它提供了一个Shadr program对象的句柄。在一个OpenGL程序中，我们可以使用多个shader programs，我们可以通过使用glUseProgram在OpenGL管道里进行切入和切除，以便选择不同的程序。

删除一个Shader Program

当我们不再需要一个shader program时，可以通过调用glDeleteProgram（ProgramID）来删除一个shader program，以释放OpenGL内存。注意，如果当前的shader program正在被使用，那么它并不会立刻被删除，而是出于一种挂起状态，直到程序不再使用它（可能切换到另一个Shader Program）。这时，之前附加的shader对象就会真正被删除了（如果之前调用过glDeleteShader的话）。

备注

你可能还是不懂我在讲什么，如果这样，可以到这个网站上看一下第二节课的内容，可能会有所帮助。