9. Shader Effect
注意
最后一次构建：2014年1月20日下午18:00。
这章的源代码能够在http://qmlbook.org/assets/中找到。
着色器允许我们利用SceneGraph的接口直接调用在强大的GPU上运行的OpenGL来创建渲染效果。着色器使用ShaderEffect与ShaderEffectSource元素来实现。着色器本身的算法使用OpenGL Shading Language（OpenGL着色语言）来实现。
实际上这意味着你需要混合使用QML代码与着色器代码。执行时，会将着色器代码发送到GPU，并在GPU上编译执行。QML着色器元素（Shader QML Elements）允许你与OpenGL着色器程序的属性交互。
让我们首先来看看OpenGL着色器。
9.1 OpenGL着色器（OpenGL Shader）
OpenGL的渲染管线分为几个步骤。一个简单的OpenGL渲染管线将包含一个顶点着色器和一个片段着色器。
顶点着色器接收顶点数据，并且在程序最后赋值给gl_Position。然后，顶点将会被裁剪，转换和栅格化后作为像素输出。片段（像素）进入片段着色器，进一步对片段操作并将结果的颜色赋值给gl_FragColor。顶点着色器调用多边形每个角的点（顶点=3D中的点），负责这些点的3D处理。片段（片度=像素）着色器调用每个像素并决定这个像素的颜色。
9.2 着色器元素（Shader Elements）
为了对着色器编程，Qt Quick提供了两个元素。ShaderEffectSource与ShaderEffect。ShaderEffect将会使用自定义的着色器，ShaderEffectSource可以将一个QML元素渲染为一个纹理然后再渲染这个纹理。由于ShaderEffect能够应用自定义的着色器到它的矩形几何形状，并且能够使用在着色器中操作资源。一个资源可以是一个图片，它被作为一个纹理或者着色器资源。
默认下着色器使用这个资源并且不作任何改变进行渲染。
在上边这个例子中，我们在一行中显示了3张图片，第一张是原始图片，第二张使用默认的着色器渲染出来的图片，第三张使用了Qt5源码中默认的顶点与片段着色器的代码进行渲染的图片。
注意
如果你不想看到原始图片，而只想看到被着色器渲染后的图片，你可以设置Image为不可见（visible:false）。着色器仍然会使用图片数据，但是图像元素（Image Element）将不会被渲染。
让我们仔细看看着色器代码。
着色器代码来自Qt这边的一个字符串，绑定了顶点着色器（vertexShader）与片段着色器（fragmentShader）属性。每个着色器代码必须有一个main(){....}函数，它将被GPU执行。Qt已经默认提供了以qt_开头的变量。
下面是这些变量简短的介绍：
- uniform-在处理过程中不能够改变的值。
- attribute-连接外部数据
- varying-着色器之间的共享数据
- highp-高精度值
- lowp-低精度值
- mat4-4x4浮点数（float）矩阵
- vec2-包含两个浮点数的向量
- sampler2D-2D纹理
- float-浮点数
可以查看http://www.khronos.org/opengles/sdk/docs/reference_cards/OpenGL-ES-2_0-Reference-card.pdf获得更多信息。
现在我们可以更好的理解下面这些变量：
- qt_Matrix：model-view-projection（模型-视图-投影）矩阵
- qt_Vertex：当前顶点坐标
- qt_MultiTexCoord0：纹理坐标
- qt_TexCoord0：共享纹理坐标
我们已经有可以使用的投影矩阵（projection matrix），当前顶点与纹理坐标。纹理坐标与作为资源（source）的纹理相关。在main()函数中，我们保存纹理坐标，留在后面的片段着色器中使用。每个顶点着色器都需要赋值给gl_Postion，在这里使用项目矩阵乘以顶点，得到我们3D坐标系中的点。
片段着色器从顶点着色器中接收我们的纹理坐标，这个纹理仍然来自我们的QML资源属性（source property）。在着色器代码与QML之间传递变量是如此的简单。此外我们的透明值，在着色器中也可以使用，变量是qt_Opacity。每个片段着色器需要给gl_FragColor变量赋值，在这里默认着色器代码使用资源纹理（source texture）的像素颜色与透明值相乘。
在后面的例子中，我们将会展示一些简单的着色器例子。首先我们会集中在片段着色器上，然后在回到顶点着色器上。
9.3 片段着色器（Fragement Shader）
片段着色器调用每个需要渲染的像素。我们将开发一个红色透镜，它将会增加图片的红色通道的值。
配置场景（Setting up the scene）
首先我们配置我们的场景，在区域中央使用一个网格显示我们的源图片（source image）。
红色着色器（A red Shader）
下一步我们添加一个着色器，显示一个红色矩形框。由于我们不需要纹理，我们从顶点着色器中移除纹理。
在片段着色器中，我们简单的给gl_FragColor赋值为vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0)，它代表红色， 并且不透明（alpha=1.0）。
使用纹理的红色着色器（A red shader with texture）
现在我们想要将这个红色应用在纹理的每个像素上。我们需要将纹理加回顶点着色器。由于我们不再在顶点着色器中做任何其它的事情，所以默认的顶点着色器已经满足我们的要求。
完整的着色器重新包含我们的源图片作为属性，由于我们没有特殊指定，使用默认的顶点着色器，我没有重写顶点着色器。
在片段着色器中，我们提取纹理片段texture2D(source,qt_TexCoord0)，并且与红色一起应用。
红色通道属性（The red channel property）
这样的代码用来修改红色通道的值看起来不是很好，所以我们想要将这个值包含在QML这边。我们在ShaderEffect中增加一个redChannel属性，并在我们的片段着色器中申明一个uniform lowpfloat redChannel。这就是从一个着色器代码中标记一个值到QML这边的方法，非常简单。
为了让这个透镜更真实，我们改变vec4颜色为vec4(redChannel, 1.0, 1.0, 1.0)，这样其它颜色与1.0相乘，只有红色部分使用我们的redChannel变量。
红色通道的动画（The red channel animated）
由于redChannel属性仅仅是一个正常的属性，我们也可以像其它QML中的属性一样使用动画。我们使用QML属性在GPU上改变这个值，来影响我们的着色器，这真酷！
下面是最后的结果。
在这4秒内，第二排的着色器红色通道的值从0.0到1.0。图片从没有红色信息（0.0 red）到一个正常的图片（1.0 red）。
9.4 波浪效果（Wave Effect）
在这个更加复杂的例子中，我们使用片段着色器创建一个波浪效果。波浪的形成是基于sin曲线，并且它影响了使用的纹理坐标的颜色。
波浪的计算是基于一个脉冲与纹理坐标的操作。我们使用一个基于当前时间与使用的纹理坐标的sin波浪方程式来实现脉冲。
离开了时间的因素，我们仅仅只有扭曲，而不是像波浪一样运动的扭曲。
我们使用不同的纹理坐标作为颜色。
纹理坐标受我们的x脉冲值影响，结果就像一个移动的波浪。
如果我们没有在片段着色器中使用像素的移动，这个效果可以首先考虑使用顶点着色器来完成。
9.5 顶点着色器（Vertex Shader）
顶点着色器用来操作ShaderEffect提供的顶点。正常情况下，ShaderEffect有4个顶点（左上top-left，右上top-right，左下bottom-left，右下bottom-right）。每个顶点使用vec4类型记录。为了实现顶点着色器的可视化，我们将编写一个吸收的效果。这个效果通常被用来让一个矩形窗口消失为一个点。
配置场景（Setting up the scene）
首先我们再一次配置场景。
这个场景使用了一个黑色背景，并且提供了一个使用图片作为资源纹理的ShaderEffect。使用image元素的原图片是不可见的，只是给我们的吸收效果提供资源。此外我们在ShaderEffect的位置添加了一个同样大小的黑色矩形框，这样我们可以更加明确的知道我们需要点击哪里来重置效果。
点击图片将会触发效果，MouseArea覆盖了ShaderEffect。在onClicked操作中，我们绑定了自定义的布尔变量属性minimized。我们稍后使用这个属性来触发效果。
最小化与正常化（Minimize and normalize）
在我们配置好场景后，我们定义一个real类型的属性，叫做minimize，这个属性包含了我们当前最小化的值。这个值在0.0到1.0之间，由一个连续的动画来控制它。
这个动画绑定了由minimized属性触发。现在我们已经配置好我们的环境，最后让我们看看顶点着色器的代码。
顶点着色器被每个顶点调用，在我们这个例子中，一共调用了四次。默认下提供qt已定义的参数，如qt_Matrix，qt_Vertex，qt_MultiTexCoord0，qt_TexCoord0。我们在之前已经讨论过这些变量。此外我们从ShaderEffect中链接minimize，width与height的值到我们的顶点着色器代码中。在main函数中，我们将当前纹理值保存在qt_TexCoord()中，让它在片段着色器中可用。现在我们拷贝当前位置，并修改顶点的x,y的位置。
mix(...)函数提供了一种在两个参数之间（0.0到1.0）的线性插值的算法。在我们的例子中，在当前y值与高度值之间基于minimize的值插值获得y值，x的值获取类似。记住minimize的值是由我们的连续动画控制，并且在0.0到1.0之间（反之亦然）。
这个结果的效果不是真正吸收效果，但是已经能朝着这个目标完成了一大步。
基础弯曲（Primitive Bending）
我们已经完成了最小化我们的坐标。现在我们想要修改一下对x值的操作，让它依赖当前的y值。这个改变很简单。y值计算在前。x值的插值基于当前顶点的y坐标。
这个结果造成当y值比较大时，x的位置更靠近width的值。也就是说上面2个顶点根本不受影响，它们的y值始终为0，下面两个顶点的x坐标值更靠近width的值，它们最后转向同一个x值。
更好的弯曲（Better Bending）
现在简单的弯曲并不能真正的满足我们的要求，我们将添加几个部件来提升它的效果。首先我们增加动画，支持一个自定义的弯曲属性。这是非常必要的，由于弯曲立即发生，y值的最小化需要被推迟。两个动画在同一持续时间计算总和（300+700+100与700+1300）。
此外，为了使弯曲更加平滑，不再使用y值影响x值的弯曲函数，pos.x现在依赖新的弯曲属性动画：
弯曲从0.0平滑开始，逐渐加快，在1.0时逐渐平滑。下面是这个函数在指定范围内的曲线图。对于我们，只需要关注0到1的区间。
想要获得最大化的视觉改变，需要增加我们的顶点数量。可以使用网眼（mesh）来增加顶点：
现在ShaderEffect被分布为16x16顶点的网格，替换了之前2x2的顶点。这样顶点之间的插值将会看起来更加平滑。
你可以看见曲线的变化，在最后让弯曲变得非常平滑。这让弯曲有了更加强大的效果。
侧面收缩（Choosing Sides）
最后一个增强，我们希望能够收缩边界。边界朝着吸收的点消失。直到现在它总是在朝着width值的点消失。添加一个边界属性，我们能够修改这个点在0到width之间。
包装（Packing）
最后将我们的效果包装起来。将我们吸收效果的代码提取到一个叫做GenieEffect的自定义组件中。它使用ShaderEffect作为根元素。移除掉MouseArea，这不应该放在组件中。绑定minimized属性来触发效果。
你现在可以像这样简单的使用这个效果：
我们简化了代码，移除了背景矩形框，直接使用图片完成效果，替换了在一个单独的图像元素中加载它。
9.6 剧幕效果（Curtain Effect）
在最后的自定义效果例子中，我们将带来一个剧幕效果。这个效果是2011年5月Qt实验室发布的着色器效果中的一部分。目前网址已经转到blog.qt.digia.com，不知道还能不能找到。
当时我非常喜欢这些效果，剧幕效果是我最喜爱的一个。我喜欢剧幕打开然后遮挡后面的背景对象。
我将代码移植适配到Qt5上，这非常简单。同时我做了一些简化让它能够更好的展示。如果你对整个例子有兴趣，可以访问Qt实验室的博客。
只有一个小组件作为背景，剧幕实际上是一张图片，叫做fabric.jpg，它是ShaderEffect的资源。整个效果使用顶点着色器来摆动剧幕，使用片段着色器提供阴影的效果。下面是一个简单的图片，让你更加容易理解代码。
剧幕的波形阴影通过一个在剧幕宽度上的sin曲线使用7的振幅来计算（7*PI=221.99..）另一个重要的部分是摆动，当剧幕打开或者关闭时，使用动画来播放剧幕的topWidth。bottomWidth使用SpringAnimation来跟随topWidth变化。这样我们就能创建出底部摆动的剧幕效果。计算得到的swing提供了摇摆的强度，用来对顶点的y值进行插值。
剧幕效果放在CurtainEffect.qml组件中，fabric图像作为纹理资源。在阴影的使用上没有新的东西加入，唯一不同的是在顶点着色器中操作gl_Postion和片段着色器中操作gl_FragColor。
这个效果在curtaindemo.qml文件中使用。
剧幕效果通过自定义的open属性打开。我们使用了一个MouseArea来触发打开和关闭剧幕。
9.7 Qt图像效果库（Qt GraphicsEffect Library）
图像效果库是一个着色器效果的集合，是由Qt开发者提供制作的。它是一个很好的工具，你可以将它应用在你的程序中，它也是一个学习如何创建着色器的例子。
图像效果库附带了一个手动测试平台，这个工具可以帮助你测试发现不同的效果
测试工具在$QTDIR/qtgraphicaleffects/tests/manual/testbed下。
效果库包含了大约20种效果，下面是效果列表和一些简短的描述。
| 种类 | 效果 | 描述 |
|---|---|---|
| 混合（Blend） | 混合（Blend） | 使用混合模式合并两个资源项 |
| 颜色（Color） | 亮度与对比度（BrightnessContrast） | 调整亮度与对比度 |
| 着色（Colorize） | 设置HSL颜色空间颜色 | |
| 颜色叠加（ColorOverlay） | 应用一个颜色层 | |
| 降低饱和度（Desaturate） | 减少颜色饱和度 | |
| 伽马调整（GammaAdjust） | 调整发光度 | |
| 色调饱和度（HueSaturation） | 调整HSL颜色空间颜色 | |
| 色阶调整（LevelAdjust） | 调整RGB颜色空间颜色 | |
| 渐变（Gradient） | 圆锥渐变（ConicalGradient） | 绘制一个圆锥渐变 |
| 线性渐变（LinearGradient） | 绘制一个线性渐变 | |
| 射线渐变（RadialGradient） | 绘制一个射线渐变 | |
| 失真（Distortion） | 置换（Displace） | 按照指定的置换源移动源项的像素 |
| 阴影（Drop Shadow） | 阴影 （DropShadow） | 绘制一个阴影 |
| 内阴影（InnerShadow） | 绘制一个内阴影 | |
| 模糊 （Blur） | 快速模糊（FastBlur） | 应用一个快速模糊效果 |
| 高斯模糊（GaussianBlur） | 应用一个高质量模糊效果 | |
| 蒙版模糊（MaskedBlur） | 应用一个多种强度的模糊效果 | |
| 递归模糊（RecursiveBlur） | 重复模糊，提供一个更强的模糊效果 | |
| 运动模糊（Motion Blur） | 方向模糊（DirectionalBlur） | 应用一个方向的运动模糊效果 |
| 放射模糊（RadialBlur） | 应用一个放射运动模糊效果 | |
| 变焦模糊（ZoomBlur） | 应用一个变焦运动模糊效果 | |
| 发光（Glow） | 发光（Glow） | 绘制一个外发光效果 |
| 矩形发光（RectangularGlow） | 绘制一个矩形外发光效果 | |
| 蒙版（Mask） | 透明蒙版（OpacityMask） | 使用一个源项遮挡另一个源项 |
| 阈值蒙版（ThresholdMask） | 使用一个阈值，一个源项遮挡另一个源项 |
下面是一个使用快速模糊效果的例子：
左边是原图片。点击右边的图片将会触发blurred属性，模糊在1秒内从0到32。左边显示模糊后的图片。
