OpenGL 图形库使用(四) —— Uniform及更多属性

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V1.0 2017.07.25

前言

OpenGL 图形库项目中一直也没用过,最近也想学着使用这个图形库,感觉还是很有意思,也就自然想着好好的总结一下,希望对大家能有所帮助。
1. OpenGL 图形库使用(一) —— 概念基础
2. OpenGL 图形库使用(二) —— 渲染模式、对象、扩展和状态机
3. OpenGL 图形库使用(三) —— 着色器、数据类型与输入输出

Uniform

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。我们可以在一个着色器中添加uniform关键字至类型和变量名前来声明一个GLSL的uniform。从此处开始我们就可以在着色器中使用新声明的uniform了。

下面我们看一下代码。

#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;
}

我们在片段着色器中声明了一个uniform vec4ourColor,并把片段着色器的输出颜色设置为uniform值的内容。因为uniform是全局变量,我们可以在任何着色器中定义它们,而无需通过顶点着色器作为中介。顶点着色器中不需要这个uniform。

如果你声明了一个uniform却在GLSL代码中没用过,编译器会静默移除这个变量,导致最后编译出的版本中并不会包含它,这可能导致几个非常麻烦的错误,记住这点!

这个uniform现在还是空的,我们还没有给它添加任何数据,所以下面我们就做这件事。我们首先需要找到着色器中uniform属性的索引/位置值。当我们得到uniform的索引/位置值后,我们就可以更新它的值了。这次我们不去给像素传递单独一个颜色,而是让它随着时间改变颜色。

float timeValue = glfwGetTime();
float greenValue = (sin(timeValue) / 2.0f) + 0.5f;
int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
glUseProgram(shaderProgram);
glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

首先我们通过glfwGetTime()获取运行的秒数。然后我们使用sin函数让颜色在0.0到1.0之间改变,最后将结果储存到greenValue里。

接着,我们用glGetUniformLocation查询uniform ourColor的位置值。我们为查询函数提供着色器程序和uniform的名字(这是我们希望获得的位置值的来源)。如果glGetUniformLocation返回-1就代表没有找到这个位置值。最后,我们可以通过glUniform4f函数设置uniform值。注意,查询uniform地址不要求你之前使用过着色器程序,但是更新一个uniform之前你必须先使用程序(调用glUseProgram),因为它是在当前激活的着色器程序中设置uniform的。

因为OpenGL在其核心是一个C库,所以它不支持类型重载,在函数参数不同的时候就要为其定义新的函数;glUniform是一个典型例子。这个函数有一个特定的后缀,标识设定的uniform的类型。可能的后缀有:

后缀

每当你打算配置一个OpenGL的选项时就可以简单地根据这些规则选择适合你的数据类型的重载函数。在我们的例子里,我们希望分别设定uniform的4个float值,所以我们通过glUniform4f传递我们的数据(注意,我们也可以使用fv版本)。

现在你知道如何设置uniform变量的值了,我们可以使用它们来渲染了。如果我们打算让颜色慢慢变化,我们就要在游戏循环的每一次迭代中(所以他会逐帧改变)更新这个uniform。下面我们就计算greenValue然后每个渲染迭代都更新这个uniform。

while(!glfwWindowShouldClose(window))
{
    // 输入
    processInput(window);

    // 渲染
    // 清除颜色缓冲
    glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

    // 记得激活着色器
    glUseProgram(shaderProgram);

    // 更新uniform颜色
    float timeValue = glfwGetTime();
    float greenValue = sin(timeValue) / 2.0f + 0.5f;
    int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");
    glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);

    // 绘制三角形
    glBindVertexArray(VAO);
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

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

这里的代码对之前代码是一次非常直接的修改。这次,我们在每次迭代绘制三角形前先更新uniform值。如果你正确更新了uniform,你会看到你的三角形逐渐由绿变黑再变回绿色。

变色三角形

可以到这里查看源码

可以看到,uniform对于设置一个在渲染迭代中会改变的属性是一个非常有用的工具,它也是一个在程序和着色器间数据交互的很好工具,但假如我们打算为每个顶点设置一个颜色的时候该怎么办?这种情况下,我们就不得不声明和顶点数目一样多的uniform了。在这一问题上更好的解决方案是在顶点属性中包含更多的数据,这是我们接下来要做的事情。


更多属性

下面把颜色数据添加为3个float值至vertices数组。我们将把三角形的三个角分别指定为红色、绿色和蓝色。

看下面的代码。

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
};

由于现在有更多的数据要发送到顶点着色器,我们有必要去调整一下顶点着色器,使它能够接收颜色值作为一个顶点属性输入。需要注意的是我们用layout标识符来把aColor属性的位置值设置为1

#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
}

由于我们不再使用uniform来传递片段的颜色了,现在使用ourColor输出变量,我们必须再修改一下片段着色器。

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

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

使用glVertexAttribPointer函数更新顶点格式。

// 位置属性
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

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

glVertexAttribPointer函数的前几个参数比较明了。这次我们配置属性位置值为1的顶点属性。颜色值有3个float那么大,我们不去标准化这些值。我们必须指定一个偏移量。对于每个顶点来说,位置顶点属性在前,所以它的偏移量是0。颜色属性紧随位置数据之后,所以偏移量就是3 * sizeof(float),用字节来计算就是12字节。

三角

这里可以看到源码

这个图片可能不是你所期望的那种,因为我们只提供了3个颜色,而不是我们现在看到的大调色板。这是在片段着色器中进行的所谓片段插值(Fragment Interpolation)的结果。

后记

未完,待续~~

明月

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