LearnOpenGL学习笔记(三):着色器

LearnOpenGL学习笔记(三)

1.颜色动态变化的三角形

Uniform是一种从CPU中的应用向GPU中的着色器发送数据的方式，但uniform和顶点属性有些不同。首先，uniform是全局的(Global)。全局意味着uniform变量必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。第二，无论你把uniform值设置成什么，uniform会一直保存它们的数据，直到它们被重置或更新。

编写下面这个着色器，可以得到一个uniform变量，通过在程序(这里是在渲染循环)中改变它的值，就可以设置三角形的颜色

#version 330 core
out vec4 FragColor;

uniform vec4 ourColor; // 在OpenGL程序代码中设定这个变量

void main()
{
    FragColor = ourColor;
}

下面给出完整的代码与注释：

//
//  main.cpp
//  Shaders
//
//  Created by 游文彦 on 2018/9/26.
//  Copyright © 2018 Swallow. All rights reserved.
//

//注意要在包含GLFW的头文件之前包含了GLAD的头文件!
#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

//当用户改变窗口的大小的时候，视口也应该被调整，需要一个回调函数
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow * window,int width,int height);
//声明一个函数用来检测特定的键是否被按下
void processInput(GLFWwindow * window);

const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;

//定义一个顶点着色器的源码
const char *vertexShaderSource = "#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   gl_Position = vec4(aPos, 1.0);\n"
"}\n\0";

//定义一个片段着色器的源码
//在OpenGL程序代码中会设定uniform变量
const char *fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"uniform vec4 ourColor;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   FragColor = ourColor;\n"
"}\n\0";


int main(){

    //初始化GLFW
    glfwInit();
    //将OpenGL主版本号(Major)和次版本号(Minor)都设为3
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    //使用的是核心模式(Core-profile)
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
    //如果是macOS系统，则需要下面这行代码才能让配置起作用
#ifdef __APPLE__
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);
#endif

    //创建一个窗口对象
    GLFWwindow * window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "Hello,shaders", NULL, NULL);
    if (window == NULL){
        cout << "Failed to create GLFW window" << endl;
        glfwTerminate();
        return -1;
    }

    //通知GLFW将我们窗口的上下文设置为当前线程的主上下文
    glfwMakeContextCurrent(window);
    //注册定义好的回调函数，告诉GLFW每当窗口调整大小的时候调用这个函数
    glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);
    //GLAD是用来管理OpenGL的函数指针的，在调用任何OpenGL的函数之前我们需要初始化GLAD
    if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)){
        cout << "Failed to initialize GLAD" << endl;
        return -1;
    }


    /*************** 建立并编译着色器程序 *************/
    //1.编译顶点着色器
    int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    //glShaderSource函数把要编译的着色器对象作为第一个参数。第二参数指定了传递的源码字符串数量，这里只有一个。
    //第三个参数是顶点着色器真正的源码，第四个参数我们先设置为NULL
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);
    //下面这段代码用来检测编译是否成功
    int success;
    char infoLog[512];
    //用glGetShaderiv来检查是否编译成功
    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }

    //2.编译片段着色器
    int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    //glShaderSource函数把要编译的着色器对象作为第一个参数。第二参数指定了传递的源码字符串数量，这里只有一个。
    //第三个参数是顶点着色器真正的源码，第四个参数我们先设置为NULL
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);
    //下面这段代码用来检测编译是否成功
    glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }

    //3.用glCreateProgram函数创建一个程序
    int shaderProgram = glCreateProgram();
    //将顶点着色器和片段着色器附加到程序对象上
    glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    //链接它们
    glLinkProgram(shaderProgram);
    //检测链接着色器程序是否失败
    glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    //着色器对象链接完之后就可以删除了
    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);
    /*************** over ***************/

    /*************** 设置顶点数据与缓冲，并配置顶点属性 *************/
    //输入一个顶点，分别代表三角形三个顶点的x轴，y轴与z轴坐标
    float vertices[] = {
        0.5f, -0.5f, 0.0f,
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,
        0.0f,  0.5f, 0.0f
    };

    unsigned int VBO,VAO;
    //使用glGenBuffers函数和一个缓冲ID生成一个VBO顶点缓冲对象
    glGenBuffers(1,&VBO);
    //使用glGenVertexArrays函数和一个缓冲ID生成一个VAO顶点数组对象
    glGenVertexArrays(1,&VAO);

    //首先绑定VAO
    glBindVertexArray(VAO);
    //然后绑定并设置VBO，使用glBindBuffer函数把新创建的缓冲绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
    //调用glBufferData函数，它会把之前定义的顶点数据复制到缓冲的内存中
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    //链接顶点属性
    //下面这个函数的参数依次为顶点属性，顶点属性的大小，数据的类型，是否希望数据被标准化、步长以及偏移量
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
    //启用顶点属性
    glEnableVertexAttribArray(0);

    //glBindVertexArray(VAO);
    /*********************** Over ************************/


    //渲染循环(Render Loop)
    while (!glfwWindowShouldClose(window)) {

        //检测特定的键是否被按下，并在每一帧做出处理
        processInput(window);

        //glClearColor函数是一个状态设置函数，用来设置清空屏幕所用的颜色
        glClearColor(0.2f,0.3f,0.3f,1.0f);
        //glClear函数是一个状态使用函数，它使用当前的状态来用指定颜色清空屏幕
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

        //激活着色器
        glUseProgram(shaderProgram);

        //更新uniform颜色
        float timeValue = glfwGetTime();
        float greenValue = sin(timeValue) / 2.0f + 0.5f;
        //用glGetUniformLocation查询uniform ourColor的位置值
        int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram,"ourColor");
        //glUniform4f 代表设定uniform的4个float值,分别是R,G,B,A
        glUniform4f(vertexColorLocation,0.0f,greenValue,0.0f,1.0f);

        //glDrawArrays函数第一个参数是图元的类型,第二个参数是顶点数组的起始索引，第三个是绘制的顶点个数
        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

        //交换缓冲并查询IO事件
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }

    //释放之前分配的所有资源
    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glfwTerminate();

    return 0;
}

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow * window,int width,int height){
    //glViewport函数前两个参数控制窗口左下角的位置，第三个和第四个参数控制渲染窗口的宽度和高度
    glViewport(0,0,width,height);
}

void processInput(GLFWwindow * window){
    //检查用户是否按下了返回键(Esc)（如果没有按下，glfwGetKey将会返回GLFW_RELEASE，按下则为GLFW_PRESS)
    if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS) {
        glfwSetWindowShouldClose(window, true);
    }
}

输出的结果是一个会时间不断变化的绿色的三角形

2.RGB三角形

要想得到一个如上图所示的RGB三角形，首先我们在定义顶点数组的时候要同时给出每个顶点的颜色，即如下这种形式：

float vertices[] = {
        // 位置              // 颜色
        0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f,   // 右下
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,   // 左下
        0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f    // 顶部
    };

然后我们需要在顶点着色器中多创建一个变量aColor来存储颜色信息，还要用out关键词定义一个ourColor变量向片段着色器输出这些颜色信息：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;   // 位置变量的属性位置值为 0 
layout (location = 1) in vec3 aColor; // 颜色变量的属性位置值为 1

out vec3 ourColor; // 向片段着色器输出一个颜色

void main()
{
    gl_Position = vec4(aPos, 1.0);
    ourColor = aColor; // 将ourColor设置为我们从顶点数据那里得到的输入颜色
}

而在片段着色器中，则要使用接收(in)到的颜色信息：

#version 330 core
out vec4 FragColor;  
in vec3 ourColor;

void main()
{
    FragColor = vec4(ourColor, 1.0);
}

完整的代码如下所示：

//注意要在包含GLFW的头文件之前包含了GLAD的头文件!
#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

//当用户改变窗口的大小的时候，视口也应该被调整，需要一个回调函数
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow * window,int width,int height);
//声明一个函数用来检测特定的键是否被按下
void processInput(GLFWwindow * window);

const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;

//定义一个顶点着色器的源码
const char *vertexShaderSource ="#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"layout (location = 1) in vec3 aColor;\n"
"out vec3 ourColor;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   gl_Position = vec4(aPos, 1.0);\n"
"   ourColor = aColor;\n"
"}\0";

//定义一个片段着色器的源码
const char *fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"in vec3 ourColor;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   FragColor = vec4(ourColor, 1.0f);\n"
"}\n\0";


int main(){

    //初始化GLFW
    glfwInit();
    //将OpenGL主版本号(Major)和次版本号(Minor)都设为3
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    //使用的是核心模式(Core-profile)
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
    //如果是macOS系统，则需要下面这行代码才能让配置起作用
#ifdef __APPLE__
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);
#endif

    //创建一个窗口对象
    GLFWwindow * window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "Hello,shaders", NULL, NULL);
    if (window == NULL){
        cout << "Failed to create GLFW window" << endl;
        glfwTerminate();
        return -1;
    }

    //通知GLFW将我们窗口的上下文设置为当前线程的主上下文
    glfwMakeContextCurrent(window);
    //注册定义好的回调函数，告诉GLFW每当窗口调整大小的时候调用这个函数
    glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);
    //GLAD是用来管理OpenGL的函数指针的，在调用任何OpenGL的函数之前我们需要初始化GLAD
    if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)){
        cout << "Failed to initialize GLAD" << endl;
        return -1;
    }


    /*************** 建立并编译着色器程序 *************/
    //1.编译顶点着色器
    int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    //glShaderSource函数把要编译的着色器对象作为第一个参数。第二参数指定了传递的源码字符串数量，这里只有一个。
    //第三个参数是顶点着色器真正的源码，第四个参数我们先设置为NULL
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);
    //下面这段代码用来检测编译是否成功
    int success;
    char infoLog[512];
    //用glGetShaderiv来检查是否编译成功
    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }

    //2.编译片段着色器
    int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    //glShaderSource函数把要编译的着色器对象作为第一个参数。第二参数指定了传递的源码字符串数量，这里只有一个。
    //第三个参数是顶点着色器真正的源码，第四个参数我们先设置为NULL
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);
    //下面这段代码用来检测编译是否成功
    glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }

    //3.用glCreateProgram函数创建一个程序
    int shaderProgram = glCreateProgram();
    //将顶点着色器和片段着色器附加到程序对象上
    glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    //链接它们
    glLinkProgram(shaderProgram);
    //检测链接着色器程序是否失败
    glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    //着色器对象链接完之后就可以删除了
    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);
    /*************** over ***************/

    /*************** 设置顶点数据与缓冲，并配置顶点属性 *************/
    float vertices[] = {
        // 位置              // 颜色
        0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f,   // 右下
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,   // 左下
        0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f    // 顶部
    };

    unsigned int VBO,VAO;
    //使用glGenBuffers函数和一个缓冲ID生成一个VBO顶点缓冲对象
    glGenBuffers(1,&VBO);
    //使用glGenVertexArrays函数和一个缓冲ID生成一个VAO顶点数组对象
    glGenVertexArrays(1,&VAO);

    //首先绑定VAO
    glBindVertexArray(VAO);
    //然后绑定并设置VBO，使用glBindBuffer函数把新创建的缓冲绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
    //调用glBufferData函数，它会把之前定义的顶点数据复制到缓冲的内存中
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    //链接位置属性
    //下面这个函数的参数依次为顶点属性，顶点属性的大小，数据的类型，是否希望数据被标准化、步长以及偏移量
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
    //启用顶点属性
    glEnableVertexAttribArray(0);

    //链接颜色属性
    glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
    glEnableVertexAttribArray(1);

    //glBindVertexArray(VAO);
    /*********************** Over ************************/


    //渲染循环(Render Loop)
    while (!glfwWindowShouldClose(window)) {

        //检测特定的键是否被按下，并在每一帧做出处理
        processInput(window);

        //glClearColor函数是一个状态设置函数，用来设置清空屏幕所用的颜色
        glClearColor(0.2f,0.3f,0.3f,1.0f);
        //glClear函数是一个状态使用函数，它使用当前的状态来用指定颜色清空屏幕
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

        //激活着色器
        glUseProgram(shaderProgram);

        //glDrawArrays函数第一个参数是图元的类型,第二个参数是顶点数组的起始索引，第三个是绘制的顶点个数
        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

        //交换缓冲并查询IO事件
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }

    //释放之前分配的所有资源
    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glfwTerminate();

    return 0;
}

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow * window,int width,int height){
    //glViewport函数前两个参数控制窗口左下角的位置，第三个和第四个参数控制渲染窗口的宽度和高度
    glViewport(0,0,width,height);
}

void processInput(GLFWwindow * window){
    //检查用户是否按下了返回键(Esc)（如果没有按下，glfwGetKey将会返回GLFW_RELEASE，按下则为GLFW_PRESS)
    if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS) {
        glfwSetWindowShouldClose(window, true);
    }
}

3.创建自己的着色器

编写、编译、管理着色器是件麻烦事。在着色器主题的最后，我们会写一个类来让我们的生活轻松一点，它可以从硬盘读取着色器，然后编译并链接它们，并对它们进行错误检测，这就变得很好用了。这也会让你了解该如何封装目前所学的知识到一个抽象对象中。

我们会把着色器类全部放在在头文件里，再定义一个主函数去调用

不仅如此，为了方便使用与修改，我们把顶点着色器和片段着色器的源码单独存放在别的文件中，通过读取这些文件来编译我们的着色器。
这里把顶点和片段着色器储存为两个叫做shader.vs和shader.fs的文件：

然后在主程序中通过着色器的构造函数来实时调用，值得一提的是构造函数中两个参数要写成绝对路径的形式才ok。

具体的实现方式见这里，注意这里面同时也包含了前几个问题的代码。