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[游戏开发]LearnOpenGL学习笔记——高级GLSL

顶点着色器变量

gl_PointSize :可以设置渲染出来点的大小。使用

	glEnable(GL_PROGRAM_POINT_SIZE);`

开始启用点大小设置,点的大小会随着观察者距顶点距离变远而增大。

	void main()
	{
    	gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);    
    	gl_PointSize = gl_Position.z;    
	}

gl_VertexID:整型变量gl_VertexID储存了正在绘制顶点的当前ID当(使用glDrawElements)进行索引渲染的时候,这个变量会存储正在绘制顶点的当前索引。当(使用glDrawArrays)不使用索引进行绘制的时候,这个变量会储存从渲染调用开始的已处理顶点数量。

片段着色器变量

gl_FragCoord:因为gl_FragCoord的z分量等于对应片段的深度值。l_FragCoord的x和y分量是片段的窗口空间(Window-space)坐标,其原点为窗口的左下角。
gl_FrontFacing:gl_FrontFacing将会告诉我们当前片段是属于正向面的一部分还是背向面的一部分。
gl_FragDepth:输入变量gl_FragCoord能让我们读取当前片段的窗口空间坐标,并获取它的深度值,但是它是一个只读(Read-only)变量

在写入gl_FragDepth时,你就需要考虑到它所带来的性能影响。然而,从OpenGL 4.2起,我们仍可以对两者进行一定的调和,在片段着色器的顶部使用深度条件(Depth Condition)重新声明gl_FragDepth变量:

layout (depth_) out float gl_FragDepth;
condition可以为下面的值:

条件 描述
any 默认值。提前深度测试是禁用的,你会损失很多性能
greater 你只能让深度值比gl_FragCoord.z更大
less 你只能让深度值比gl_FragCoord.z更小
unchanged 如果你要写入gl_FragDepth,你将只能写入gl_FragCoord.z的值

接口块

到目前为止,每当我们希望从顶点着色器向片段着色器发送数据时,我们都声明了几个对应的输入/输出变量。将它们一个一个声明是着色器间发送数据最简单的方式了,但当程序变得更大时,你希望发送的可能就不只是几个变量了,它还可能包括数组和结构体。

为了帮助我们管理这些变量,GLSL为我们提供了一个叫做接口块(Interface Block)的东西,来方便我们组合这些变量。接口块的声明和struct的声明有点相像,不同的是,现在根据它是一个输入还是输出块(Block),使用in或out关键字来定义的。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec2 aTexCoords;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

out VS_OUT
{
    vec2 TexCoords;
} vs_out;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);    
    vs_out.TexCoords = aTexCoords;
}  

这次我们声明了一个叫做vs_out的接口块,它打包了我们希望发送到下一个着色器中的所有输出变量。这只是一个很简单的例子,但你可以想象一下,它能够帮助你管理着色器的输入和输出。当我们希望将着色器的输入或输出打包为数组时,它也会非常有用。之后,我们还需要在下一个着色器,即片段着色器,中定义一个输入接口块。块名(Block Name)应该是和着色器中一样的(VS_OUT),但实例名(Instance Name)(顶点着色器中用的是vs_out)可以是随意的,但要避免使用误导性的名称,比如对实际上包含输入变量的接口块命名为vs_out:

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in VS_OUT
{
    vec2 TexCoords;
} fs_in;

uniform sampler2D texture;

void main()
{             
    FragColor = texture(texture, fs_in.TexCoords);   
}

Uniform缓冲对象

OpenGL为我们提供了一个叫做Uniform缓冲对象(Uniform Buffer Object)的工具,它允许我们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,我们只需要设置相关的uniform一次。当然,我们仍需要手动设置每个着色器中不同的uniform。并且创建和配置Uniform缓冲对象会有一点繁琐。

因为Uniform缓冲对象仍是一个缓冲,我们可以使用glGenBuffers来创建它,将它绑定到GL_UNIFORM_BUFFER缓冲目标,并将所有相关的uniform数据存入缓冲。在Uniform缓冲对象中储存数据是有一些规则的,我们将会在之后讨论它。首先,我们将使用一个简单的顶点着色器,将projection和view矩阵存储到所谓的Uniform块(Uniform Block)中:

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;

layout (std140) uniform Matrices
{
    mat4 projection;
    mat4 view;
};

uniform mat4 model;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

在我们大多数的例子中,我们都会在每个渲染迭代中,对每个着色器设置projection和view Uniform矩阵。这是利用Uniform缓冲对象的一个非常完美的例子,因为现在我们只需要存储这些矩阵一次就可以了。这里,我们声明了一个叫做Matrices的Uniform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。接下来,我们在OpenGL代码中将这些矩阵值存入缓冲中,每个声明了这个Uniform块的着色器都能够访问这些矩阵。

Uniform块布局

Uniform块的内容是储存在一个缓冲对象中的,它实际上只是一块预留内存。因为这块内存并不会保存它具体保存的是什么类型的数据,我们还需要告诉OpenGL内存的哪一部分对应着着色器中的哪一个uniform变量。假设着色器中有以下的这个Uniform块:

	layout (std140) uniform ExampleBlock
	{
    	float value;
    	vec3  vector;
    	mat4  matrix;
    	float values[3];
   	 	bool  boolean;
    	int   integer;
	};

我们需要知道的是每个变量的大小(字节)和(从块起始位置的)偏移量,来让我们能够按顺序将它们放进缓冲中。每个元素的大小都是在OpenGL中有清楚地声明的,而且直接对应C++数据类型,其中向量和矩阵都是大的float数组。OpenGL没有声明的是这些变量间的间距(Spacing)。这允许硬件能够在它认为合适的位置放置变量。比如说,一些硬件可能会将一个vec3放置在float边上。不是所有的硬件都能这样处理,可能会在附加这个float之前,先将vec3填充(Pad)为一个4个float的数组。这个特性本身很棒,但是会对我们造成麻烦。

默认情况下,GLSL会使用一个叫做共享(Shared)布局的Uniform内存布局,共享是因为一旦硬件定义了偏移量,它们在多个程序中是共享并一致的。使用共享布局时,GLSL是可以为了优化而对uniform变量的位置进行变动的,只要变量的顺序保持不变。因为我们无法知道每个uniform变量的偏移量,我们也就不知道如何准确地填充我们的Uniform缓冲了。我们能够使用像是glGetUniformIndices这样的函数来查询这个信息,但这超出本节的范围了。
虽然共享布局给了我们很多节省空间的优化,但是我们需要查询每个uniform变量的偏移量,这会产生非常多的工作量。通常的做法是,不使用共享布局,而是使用std140布局。std140布局声明了每个变量的偏移量都是由一系列规则所决定的,这显式地声明了每个变量类型的内存布局。由于这是显式提及的,我们可以手动计算出每个变量的偏移量。每个变量都有一个基准对齐量(Base Alignment),它等于一个变量在Uniform块中所占据的空间(包括填充量(Padding)),这个基准对齐量是使用std140布局的规则计算出来的。接下来,对每个变量,我们再计算它的对齐偏移量(Aligned Offset),它是一个变量从块起始位置的字节偏移量。一个变量的对齐字节偏移量必须等于基准对齐量的倍数。布局规则的原文可以在OpenGL的Uniform缓冲规范这里找到,但我们将会在下面列出最常见的规则。GLSL中的每个变量,比如说int、float和bool,都被定义为4字节量。每4个字节将会用一个N来表示。

类型 布局规则
标量,比如int和bool 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。
和OpenGL大多数的规范一样,使用例子就能更容易地理解。我们会使用之前引入的那个叫做ExampleBlock的Uniform块,并使用std140布局计算出每个成员的对齐偏移量:

layout (std140) uniform ExampleBlock
{
                     // 基准对齐量       // 对齐偏移量
    float value;     // 4               // 0 
    vec3 vector;     // 16              // 16  (必须是16的倍数,所以 4->16)
    mat4 matrix;     // 16              // 32  (列 0)
                     // 16              // 48  (列 1)
                     // 16              // 64  (列 2)
                     // 16              // 80  (列 3)
    float values[3]; // 16              // 96  (values[0])
                     // 16              // 112 (values[1])
                     // 16              // 128 (values[2])
    bool boolean;    // 4               // 144
    int integer;     // 4               // 148
}; 

知识点总结

关键字总结:
gl_PointSize
gl_VertexID
gl_FragCoord
gl_FrontFacing
gl_FragDepth
接口块:
in或out关键字
Uniform缓冲对象:
全局Uniform变量
Uniform块布局

https://learnopengl-cn.github.io/04%20Advanced%20OpenGL/08%20Advanced%20GLSL/#uniform

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加:2022-05-10 12:14:13  更:2022-05-10 12:14:34 
 
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