Урок 9. Шейдеры в OpenGL4

В этом уроке вы узнаете: какая архитектура шейдеров; какую роль выполняют шейдеры в OpenGL приложении; что такое язык GLSL и для чего он предназначен, ознакомитесь со базовыми принципами программирования GLSL.

Шейдеры

Из предыдущих уроков вы уже знакомы с шейдерами и применяли их практически. В данном уроке мы не будем использовать их как дополнение к приложению, а взглянем на сами шейдеры и на их код.

Сейчас шейдеры являются ключевым аспектом OpenGL приложения. Фактически, трудно что-нибудь сделать без их использования. Вся графика игр, многочисленные спецэффекты, и тот реализм, который на сегодняшний день достигла графическая часть игр – это всё получилось благодаря использованию шейдеров. Взглянем лишь на некоторые примеры использования шейдеров:

• Обычное применение: матрицы камеры и освещениями в вершинномшейдере, текстуры и определение текущего цвета пикселя в пиксельном шейдере
• Композиции из нескольких текстур, использования глубоких текстур, для тонкой детализации ландшафта и моделей
• Эффекты освещения и теней
• Системы частиц – туман, задымление а также различные виды вспышек

На самом деле, данный список можно продолжать, кажется бесконечно. Существует слишком много примеров применения шейдеров, чтобы даже их просто перечислить. Запустите любую новую игру и существующий список применения шейдеров может быть пополнен несколькими, а то и десятками новых применений шейдеров.

Особенности компиляции и загрузки шейдера

Хотя шейдер является очень низкоуровневой структурой – он должен выполняться очень быстро, но вы можете его писать на языке, подобном C++, этот язык называется GLSL. Это потому, что шейдер на ходу компилируется в машинный код видеоускорителя. Кроме того, не нужен специальный компилятор. Язык GLSL является стандартным и его компиляция осуществляется на ходу любой 3d системой. Таким образом, вы просто указываете на исходный файл формата .fx и он автоматически загружается, компилируется и выполняется непосредственно в вашем 3d приложении.

Язык GLSL

Взглянем на пример шейдера с точки зрения программирования. Посмотрим на типичный код шейдера:

//------------------------------------------------------------------------------------
// Constant Buffer Variables
//------------------------------------------------------------------------------------
#version 330
 
uniform mat4 mWorld;
uniform mat4 mView;
uniform mat4 mProjection;
 
layout (location = 0) in vec3 inPosition;
layout (location = 1) in vec3 inNormal;
layout (location = 2) in vec2 inTex;
 
out vec3 theColor;
out vec2 texCoord;
 
//------------------------------------------------------------------------------------
// Vertex Shader
//------------------------------------------------------------------------------------
void main()
{
        gl_Position = mProjection*mView*mWorld*vec4(inPosition, 1.0);
        theColor = vec3(0.25,0.5,1);
        texCoord = inTex;
} 
 
//------------------------------------------------------------------------------------
// Pixel Shader Variables
//------------------------------------------------------------------------------------
#version 330
 
in vec3 theColor;
in vec2 texCoord;
out vec4 outputColor;
 
uniform sampler2D gSampler;
 
//------------------------------------------------------------------------------------
// Pixel Shader
//------------------------------------------------------------------------------------
 
void main()
{
    outputColor = texture2D(gSampler, texCoord)* vec4(theColor,1);
}

Вы видите, что весь код шейдера может быть разбит на четыре ключевых раздела. Это: объявления глобальных переменных – констант шейдера для вершинного шейдера, код функции вершинного шейдера, объявления констант для пиксельного шейдера и, наконец код функции пиксельного шейдера. В дальнейших разделах мы поэтапно рассмотрим структуру языка GLSL. Обратите внимание, что в OpenGL принято помещать вершинный шейдер с константами в один файл, а пиксельный шейдер с его переменными – в другой.

Типы данных GLSL

В каждом языке существуют различные встроенные типы данных. В языке GLSL типы данных носят некоторый математический оттенок, то есть в нем много типов данных наподобие векторов и матриц. Итак, таблица типов данных GLSL:

Рассмотрим эти типы данных. Тип данных Scalar определяет скалярную величину и может быть одним из следующих:

bool
int
uint
float

Тип данных Vectorобозначается добавлением количества компонент к типу данных scalar. Например vec4 определяет четырехкомпонентный вектор. Матрицы Matrixв OpenGL обозначаются mat4. Пример определения вектора и матрицы:

vec3 fVector = { 0.2f, 0.3f, 0.4f };
mat2 fMatrix = { 0.0f, 0.1, 
                 2.1f, 2.2f  };

Типы Sampler используется для указания слота источника текстуры. Пример использования типа данных Sampler:

uniform sampler2D gSampler;
...
outputColor = texture2D(gSampler, texCoord)* vec4(theColor,1);
...

Операции ветвления кода в GLSL

В большинстве случаев код GLSL выполняется построчно, то есть одна строка, или инструкция потом следующая и так далее. Но в некоторых случаях, можно добавлять циклы и условные переходы. Обратите внимание, что так как GLSL должен работать быстро, то ветвления в коде GLSL должны быть скорее исключением, чем практикой.

Операции ветвления в GLSLимеют тот же синтаксис, что и в языке C++.

Определения функций и блоки в GLSL

Остальная структура языка может быть сведена к следующей таблице:

Определение функций имеет некоторые характерные черты в GLSL. Об этом далее.

Константы шейдера

Для того, чтобы иметь возможность изменять определенные глобальные переменные шейдера существуют константы шейдера. В GLSL все константы объявляются ключевым символом uniform, предшествующим объявлению глобальной переменной шейдера.

uniform mat4 mWorld;
uniform mat4 mView;
uniform mat4 mProjection;

Вы можете догадаться, что константы могут быть и других типов, не только типа mat4, как во фрагменте кода, приведенном выше.

Типы данных для функций вершинного и пиксельного шейдера

Для вершинного и пиксельного шейдера существуют определенные типы данных, присущие им в качестве входящих данных и выходящих функций. Итак, вершинныйшейдер принимает в себя входящие данные, которые должны полностью соответствовать формату вершинного буфера. Пример формата входящих данных для вершинного шейдера:

layout (location = 0) in vec3 inPosition;
layout (location = 1) in vec3 inNormal;
layout (location = 2) in vec2 inTex;

Данный фрагмент кода назначает входящими дынными для вершинного шейдера координату, нормаль и текстурную координату. Входящий формат данных вершинного шейдера может быть различным и отличаться от этого примера. Выходящими данные вершинный шейдер возвращает операцией присвоения переменной, имеющей тип out соответствующего значения. Перед тем как вершинныйшейдер что-то сможет возвратить, переменные out должны быть обявлены

out vec3 theColor;
out vec2 texCoord;

Выходящие данные вершинногошейдера являются входящими данными пиксельного шейдера и имеют идентичный формат:

in vec3 theColor;
in vec2 texCoord;

Пиксельный шейдер может возвратить единственную переменную формата vec4, определяющую цвет точки.

out vec4 outputColor;
...
 
outputColor = texture2D(gSampler, texCoord)* vec4(theColor,1);
...

Встроенные функции GLSL

Встроенные функции GLSL позволяют осуществлять многие операции, которые невозможно выполнить обычным кодом GLSL. Встроенные функции обозначаются IntrinsicFuncions. В число этих функций входят математические функции, операции с матрицами и векторами, операции выборки из текстур а также много другое. Вот пример некоторых из встроенных функций GLSL:

abs
sin
cos
dot
cross
fmod
log
mul
max
min
round
sqrt
tan
texture1d
texture2d
textureCUBE

В этом отрывке кода из некоторого вершинного шейдера

vec3  lightVec             = normalize(LightPosition - ecPosition);
float diffuse              = max(dot(lightVec, tnorm), 0.0);

легко найти места, в которых вызывается несколько встроенных функций OpenGL, таких как: операция нормализации вектора, определение максимума и операция скалярного умножения векторов.

Заключение

В этом уроке вы познакомились непосредственно с тем, что представляет из себяшейдер. GLSL не так сложен как многие другие языки, так как программы на нем – точнее фрагменты кода для пиксельного и вершинного шейдера – получаются очень короткими.

Заполнен: OpenGL4
Присвоен тэг: C++ • OpenGL