OpenGL学习笔记(二十八)—— Advanced GLSL

GLSL的内建变量

顶点着色器变量

  • gl_Position:顶点着色器 输出 变量,类型:vec4,作用:设置裁剪空间输出位置向量。
  • gl_PointSize:顶点着色器 输出 变量,类型:float,作用:设置点的宽高(像素)。(该功能默认禁止,需要启用 GL_PROGRAM_POINT_SIZE
  • gl_VertexID:顶点着色器 输入 变量,类型:int,作用:当使用 glDrawElements 进行索引渲染的时候,该变量会存储当前正在绘制顶点的 索引;而当使用 glDrawArrays 不使用索引进行绘制的时候,该变量会储存从渲染调用开始的已处理 顶点数量
  • gl_InstanceID:顶点着色器 输入 变量,类型:unsigned int,作用:获取当前实例化渲染调用( glDrawArraysInstancedglDrawElementsInstanced)时正在渲染的是第几个实例(在使用实例化渲染时 gl_InstanceID 会从 0 开始,在每个实例被渲染时递增 1)。

片段着色器变量

  • gl_FragCoord:片段着色器 输入 变量,类型:vec3,作用:获取片段的位置向量。(其中,xy 分量是片段的窗口空间(Window-space)坐标,其原点为窗口的左下角;z 分量片段的深度值。)
  • gl_FrontFacing:片段着色器 输入 变量,类型:bool,作用:标识当前片段是属于正面的一部分还是背面的一部分(前提是没有启用 面剔除 GL_FACE_CULL)。
  • gl_FragDepth:片段着色器 输出 变量,类型:float,作用:设置片段的深度值。(注意:如果着色器没有写入值到 gl_FragDepth,它会自动取用 gl_FragCoord.z的值;但是,只要在片段着色器中对 gl_FragDepth 进行写入,OpenGL 就会禁用所有的 提前深度测试(Early Depth Testing),其原因是,OpenGL 无法在片段着色器运行之前得知片段将拥有的深度值,因为片段着色器可能会完全修改这个深度值。)

接口块

GLSL提供了一个叫做 接口块(Interface Block) 的数据类型,来方便组合输入/输出变量;根据是一个输入还是输出块(Block),使用 inout 关键字来定义的。

  • 顶点着色器大致如下:

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    #version 330 core /* 指定GLSL版本3.3,匹配 OpenGL 版本 */
    layout (location = 0) in vec3 aPos; /* 顶点位置变量的属性位置值为:0 */
    layout (location = 1) in vec2 aTexCoords; /* 顶点纹理坐标变量的属性位置值为:1 */
    uniform mat4 modelMat; /* 模型矩阵 */
    uniform mat4 viewMat; /* 观察矩阵 */
    uniform mat4 projectionMat; /* 投影矩阵 */
    /* out 定义输出接口块,‘VS_OUT’:块名,在下一个
    着色器(片段着色器)中的输入接口块必须一致;
    ‘vs_out’:实例名,任意起 */
    out VS_OUT
    {
    vec2 TexCoords;
    } vs_out;
    void main()
    {
    gl_Position = projectionMat * viewMat * modelMat * vec4(aPos, 1.0);
    vs_out.TexCoords = aTexCoords; // 接口块赋值
    }
  • 片段着色器大致如下:

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    #version 330 core /* 指定GLSL版本3.3,匹配 OpenGL 版本 */
    out vec4 FragColor; /* 输出,指定片段颜色 */
    /* in 定义输入接口块,‘VS_OUT’:接口块类型名,与
    上一个着色器(顶点着色器)中的输出接口块一致;
    ‘fs_in’:实例名,随意起 */
    in VS_OUT
    {
    vec2 TexCoords;
    } fs_in;
    uniform sampler2D texture1; /* 纹理采样 1 */
    void main()
    {
    FragColor = texture(texture1, fs_in.TexCoords);
    }

Uniform缓冲对象

Uniform缓冲对象(Uniform Buffer Object):定义一系列在多个着色器中相同的全局 Uniform变量,当使用 Uniform缓冲对象的时候,只需要设置相关的 uniform 一次。

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#version 330 core /* 指定GLSL版本3.3,匹配 OpenGL 版本 */
layout (location = 0) in vec3 aPos; /* 顶点位置变量的属性位置值为:0 */
uniform mat4 modelMat; /* 模型矩阵 */
/* layout (std140) 表示,当前定义的 Uniform 块对使用的内存布局。 */
layout (std140) uniform Matrices
{
mat4 viewMat; /* 观察矩阵 */
mat4 projectionMat; /* 投影矩阵 */
};
void main()
{
gl_Position = projectionMat * viewMat * modelMat * vec4(aPos, 1.0);
}

如上,声明了一个叫做 MatricesUniform 块,它储存了两个 4x4 矩阵。Uniform 块中的变量可以直接访问,不需要加块名作为前缀。

Uniform 块布局

Uniform 块布局有三类:

  • share(共享)布局
  • packed布局
  • std140布局

std140布局

std140布局:显示声明了每个变量类型的内存布局(每个变量的偏移量都是由一系列 规则 所决定的);其中包括:

  • 基准对齐量(Base Alignment):一个变量在 Uniform 块中所占据的字节空间量(包括填充量 Padding)。
  • 对齐偏移量(Aligned Offset):一个变量从 Uniform 块起始位置的字节偏移量(注意:对齐偏移量必须等于基准对齐量的倍数)。

GLSL 中的每个变量,比如说 intfloatbool,都被定义为 4 字节量(每 4 个字节将会用一个 N 来表示)。

GLSL 常见数据类型的(std140)布局规则:

类型 布局规则
标量(如 intbool) 每个标量的基准对齐量为 N
向量 2N 或者 4N(这意味着 vec3的基准对齐量为 4N)
标量或向量的数组 每个元素的基准对齐量与 vec4 的相同
矩阵 储存为列向量的数组,每个向量的基准对齐量与 vec4 的相同
结构体 等于所有元素根据规则计算后的大小,但会填充到 vec4 大小的倍数

绑定点

绑定点(Binding point):用于让 OpenGL 知道哪个 Uniform 缓冲对应的是哪个 Uniform 块(在创建 Uniform 缓冲之后将其链接至绑定点;同时将着色器中的 Uniform 块绑定到相同的绑定点,这样就可以绑定了相对应的关系)。如下图所示:

图片来源于:learnopengl.com

  • 使用 glBindBufferBase(GLenum target, GLuint index, GLuint buffer);函数将 Uniform 缓冲对象绑定到一个特定的绑定点上:

    • target:缓冲目标(如,GL_UNIFORM_BUFFER)。
    • index:链接到的绑定点(0, 1, 2 ··· n)。
    • buffer:Uniform 缓冲对象(引用 ID)。
  • 或使用 glBindBufferRange(GLenum target, GLuint index, GLuint buffer, GLintptr offset, GLsizeiptr size); 函数将 Uniform 缓冲的某一部分绑定到一个特定的绑定点上:

    • target:缓冲目标(如,GL_UNIFORM_BUFFER)。
    • index:链接到的绑定点(0, 1, 2 ··· n)。
    • buffer:Uniform 缓冲对象(引用 ID)。
    • offset:Uniform 缓冲起始偏移量。
    • size:需要绑定的缓冲大小。
  • 使用 glUniformBlockBinding(GLuint program, GLuint uniformBlockIndex, GLuint uniformBlockBinding); 函数将 Uniform 块绑定到一个特定的绑定点上:

    • program:着色器程序对象。
    • uniformBlockIndex: Uniform 块索引(Uniform Block Index)是着色器中已定义 Uniform 块的位置值索引(通过 glGetUniformBlockIndex 获取)。
    • uniformBlockBinding:链接到的绑定点(0, 1, 2 ··· n)。

例子分析:

  • 定义 Uniform 块:

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    layout (std140) uniform ExampleUniformBlock // 表明使用 std140 布局
    {
    // 基准对齐量 // 对齐偏移量
    float value; // 4 // 0
    vec3 vector; // 16 // 16 (0 + 4 = 4,但是根据规则‘对齐偏移量必须等于基准对齐量的倍数’,但 4 不是 16 的倍数,所以 4->16)
    mat4 matrix; // 16 // 32 (列 0)(16 + 16 = 32 刚好是 16 的倍数)
    // 16 // 48 (列 1)
    // 16 // 64 (列 2)
    // 16 // 80 (列 3)
    float values[3]; // 16 // 96 (values[0])(80 + 16 = 96 刚好是 16 的倍数)
    // 16 // 112 (values[1])
    // 16 // 128 (values[2])
    bool boolean; // 4 // 144(128 + 16 = 144 刚好是 4 的倍数)
    int integer; // 4 // 148(144 + 4 = 148 刚好是 4 的倍数)
    };
  • 创建 Uniform 缓冲对象

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    GLuint uboExampleBlock; // 声明 Uniform 缓存对象引用 ID
    glGenBuffers(1, &uboExampleBlock); // 创建 Uniform 缓冲
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock); // 绑定缓冲到 ‘GL_UNIFORM_BUFFER’ 缓冲目标
    glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 152, NULL, GL_STATIC_DRAW); // 分配 152(通过如上分析对齐偏移量计算得到) 字节的内存(暂时不填充数据,后续用 ‘glBufferSubData’ 进行更新)
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0); // 解绑缓冲
  • 链接 Uniform 块到绑定点:

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    // 获取 ‘ExampleUniformBlock’ 块索引
    GLuint ubIndex = glGetUniformBlockIndex(programId, "ExampleUniformBlock");
    // 绑定 Uniform 块到绑定点:2
    glUniformBlockBinding(programId, ubIndex, 2);
  • 链接 Uniform 缓冲到绑定点:

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    // 链接 Uniform 缓冲到绑定点:2
    glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 2, uboExampleBlock);
    /*
    或使用
    glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 2, uboExampleBlock, 0, 152);
    */
  • Uniform 缓冲添加/更新数据:

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    /* 添加/更新上述定义中的 ‘boolean’ 的数据 */
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock); // 绑定 Uniform 缓冲
    GLint b = true; // GLSL 中的 bool 是 4 字节的,所以将它存为一个 integer
    glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 144, 4, &b); // 添加/更新 数据
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0); // 解绑缓冲

Demo


参考

教程来源:https://learnopengl.com/

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