【 OpenGL 教程06 】关于着色器（01）

一、说明

着色器是目前做3D图形最流行的方式。而对应的OpenGL操作晦涩难懂，本篇试图参照一些相关解释文档，以及一个代码案例进行分解说明。

二、OpenGL的渲染管线流程

2.1 渲染管线流程

数据传输到显示环节的数据流程。

OpenGL—>顶点处理器—>细分着色—>几何处理器—>图元装配—>裁剪器—>光栅器（片段处理器）

2.2 我们可以参与的着色器

以下我们可编程的着色器：

vertex shader：顶点着色器
geometry shader：几何着色器
fragment shader ：片段着色器

2.3 前文着色器输出是后文着色器输入

//vertex shader
out vec4 color;
----------------------
//geometry shader
in vec4 color[];
out vec4 colorFromGeom;
----------------------
//fragment shader
in vec4 colorFromGeom;

三、着色器Shader简述

3.1 Shader注意事项

一些Shader的注意：Shader着色器的使用跟C/C++程序的创建过程类似。

写一个shader着色器文本并使其在你的程序中有效可用
Shader着色器文本全为字符串类型例如 S = “ coding部分” 代码部分为字符串
将字符串编译为Shader对象
使用GLSL编译器（编译器的语法见《OpenGL编程指南》原书第8版王锐译）

3.2 Shader对象

对于每一个着色器程序需要进行下面的步骤设置：
对于着色器对象：
1、创建Shader对象
2、编译
3、验证编译成功？

3.3 Shader连接

将上述的着色器对象链接为一个着色器程序：

1、创建程序
2、将Shader对象关联到着色器程序
3、链接程序
4、判断链接是否成功
5、使用着色器处理数据

四、程序案例

__author__ = "WSX"

import numpy as np
from OpenGL.GLUT import *
from OpenGL.GL import *
import ctypes
#顶点着色器部分
VERTEX_SHADER = """
#version 330

layout (location = 0) in vec3 Position;

void main()
{
    gl_Position = vec4(0.4 * Position.x, 0.5 * Position.y, Position.z, 1.0);
    }
"""
#片段着色器部分,字符串类型
FRAGMENT_SHADER = """
#version 330
out vec4 FragColor;
void main()
{
    FragColor = vec4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0);
    }
"""
def Create_Shader( ShaderProgram, Shader_Type , Source):  #创建并且添加着色器（相当于AddShader）Shader_Type为类型
    ShaderObj = glCreateShader( Shader_Type )  #创建Shader对象
    glShaderSource(ShaderObj , Source)
    glCompileShader(ShaderObj)  #进行编译
    glAttachShader(ShaderProgram, ShaderObj)  #将着色器对象关联到程序上


def Compile_Shader():  #编译着色器
    Shader_Program = glCreateProgram()  #创建空的着色器程序
    Create_Shader(Shader_Program , GL_VERTEX_SHADER , VERTEX_SHADER)
    Create_Shader(Shader_Program , GL_FRAGMENT_SHADER , FRAGMENT_SHADER)
    glLinkProgram(Shader_Program)
    glUseProgram(Shader_Program)

def Draw():
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT)
    glEnableVertexAttribArray(0)
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO)
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, None) #这里的None不能写为0
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3)
    glDisableVertexAttribArray(0)  #解析数据 例如一个矩阵里含有 位置 、颜色、多种信息
    glutSwapBuffers()


def CreateBuffer():  #创建顶点缓存器
    global VBO   #设置为全局变量
    vertex = np.array([[-1.0,-1.0,0.0],
                       [1.0,-1.0,0.0],
                       [0.0,1.0,0.0]],dtype="float32")   #创建顶点数组
    VBO = glGenBuffers(1)  #创建缓存
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER , VBO)   #绑定
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER , vertex.nbytes , vertex , GL_STATIC_DRAW)   #输入数据


def main():
    glutInit([])
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA)  # 显示模式 双缓存
    glutInitWindowPosition(100, 100)  # 窗口位置
    glutInitWindowSize(500, 500)  # 窗口大小
    glutCreateWindow("sanjiao")  # 创建窗口
    glutInitContextVersion(4,3)   #为了兼容
    glutInitContextProfile(GLUT_CORE_PROFILE)   #为了兼容
    glutDisplayFunc(Draw)  # 回调函数
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0)
    CreateBuffer()
    Compile_Shader()
    glutMainLoop()

main()

结果：
【 OpenGL 教程06 】关于着色器（01）-LMLPHP

五、着色器代码解释

（字符串）
#version 330

这告诉编译器我们的目标是3.3版的GLSL。如果编译器不支持它，它会发出错误。

layout (location = 0) in vec3 Position;

该语句出现在顶点着色器中。它声明了一个顶点特定属性，它是3个浮点数的向量，在着色器中将被称为’位置’。“特定于顶点”表示对于GPU中每个对着色器的调用，将提供缓冲区中新顶点的值。
layout (location = 0)创建缓冲区中属性名称和属性之间的绑定。

您可以通过将多个着色器对象链接在一起来创建着色器。但是，每个着色器阶段（VS，GS，FS）只能有一个主要函数，用作着色器的入口点。例如，您可以创建一个具有多个函数的光照库，并将其与着色器链接，前提是这些函数中没有任何一个函数名为“main”。

gl_Position = vec4(0.5 * Position.x, 0.5 * Position.y, Position.z, 1.0);

这里我们对输入的顶点位置进行硬编码转换。我们将X和Y值减半，并保持Z不变。'gl_Position’是一个特殊的内置变量，它应该包含齐次（包含X，Y，Z和W分量）顶点位置。光栅化器将查找该变量并将其用作屏幕空间中的位置（在进行了几次转换之后）。将X和Y值减半意味着我们将看到一个三角形，它是前一教程中三角形大小的四分之一。请注意，我们将W设置为1.0。这对于正确显示三角形非常重要。从3D到2D的投影实际上分两个阶段完成。首先，您需要将所有顶点乘以投影矩阵（我们将在一些教程中开发），然后GPU在位置属性到达光栅化器之前自动执行所谓的“透视分割”。这意味着它将W组件的所有组件分割成W组件。在本教程中，我们尚未在顶点着色器中进行任何投影，但透视分割阶段是我们无法禁用的。无论我们从顶点着色器输出的gl_Position值是用HW分量还是HW分量。我们需要记住，否则我们不会得到我们期望的结果。为了规避视角分割的影响，我们将W设置为1.0。由1除。

如果一切工作正常，则具有值（-0.5，-0.5），（0.5，-0.5）和（0.0,0.5）的三个顶点到达光栅器。裁剪器不需要做任何事情，因为所有的顶点都在标准化的框内。这些值被映射到屏幕空间坐标，并且光栅化器开始运行三角形内的所有点。对于每个点，执行片段着色器。以下着色器代码是从片段着色器中获取的。

out vec4 FragColor;

通常片段着色器的工作是确定片段（像素）的颜色。此外，片段着色器可以完全丢弃像素或更改其Z值（这会影响后续Z测试的结果）。通过声明上述变量来输出颜色。四个分量表示R，G，B和A（对于alpha）。您设置到该变量中的值将由光栅化器接收并写入帧缓冲区。

FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);

在之前的几个教程中，没有片段着色器，因此所有内容都以白色的默认颜色绘制。在这里，我们将FragColor设置为红色。

无水先生