openGL學習(Shader)

認識Shader

在計算機圖形學中，Shader（著色器）是一種運行在 GPU（圖形處理單元）上的程序，用于控制圖形渲染過程中頂點和像素的處理。著色器是 OpenGL、Direct3D、Vulkan 等圖形 API 的核心組成部分，它們允許開發者自定義渲染管線的各個階段，從而實現高度自定義的視覺效果。

著色器類型

  1. 頂點著色器（Vertex Shader）：

    • 處理每個頂點的數據。

    • 可以進行頂點位置的變換、紋理坐標的生成、光照計算等。

    • 通常用于實現 3D 變換、動畫效果等。

  2. 片段著色器（Fragment Shader）：

    • 處理每個像素（或片段）的數據。

    • 決定每個像素的顏色和透明度。

    • 用于實現光照、陰影、紋理映射、后處理效果等。

  3. 幾何著色器（Geometry Shader）：

    • 在頂點著色器和片段著色器之間處理整個圖元（如點、線、三角形）。

    • 可以生成新的頂點或圖元。

    • 用于實現高級的幾何變換和效果。

  4. 張量著色器（Tessellation Shader）：

    • 包括兩個階段：域著色器（Domain Shader）和原語生成著色器（Hull Shader）。

    • 控制細分曲面的生成和處理。

    • 用于實現復雜的曲面細分和建模。

  5. 計算著色器（Compute Shader）：

    • 執行通用計算任務，不直接參與渲染管線。

    • 可以并行處理大量數據。

    • 用于實現物理模擬、圖像處理、AI 計算等。

著色器編寫

著色器通常使用 GLSL（OpenGL Shading Language）或 HLSL（High-Level Shader Language）等語言編寫。以下是一個簡單的 GLSL 頂點著色器示例：

#version 330 core// in代表輸入 
//vec3代表是一個三維向量（xyz）
// aPos 是我們自己取的名字
// layout(location = n) 代表告訴vertexShaser去vao的第n個屬性描述中去取數據。
// gl_Position 是glsl的內置變量，負責向后續階段輸出頂點位置處理的結果。 一般為NDC坐標。
//vec4代表 四維向量。layout(location = 0) in vec3 aPos;  // 頂點位置void main() {gl_Position = vec4(aPos, 1.0);  // 將頂點位置傳遞給片段著色器
}

以及一個簡單的 GLSL 片段著色器示例：

#version 330 core//out代表輸出變量
//vec4代表四維向量，rgba，紅綠藍，透明度
//FragColor 是最終輸出的變量
out vec4 FragColor;  // 輸出顏色void main() {FragColor = vec4(1.0, 0.5, 0.2, 1.0);  // 設置像素顏色為橙色
}

著色器編譯和鏈接

在 OpenGL 中，著色器需要經過編譯和鏈接才能使用。以下是一個簡化的流程：

  1. 編寫著色器代碼：使用 GLSL 編寫頂點著色器和片段著色器代碼。

  2. 創建著色器對象：使用 glCreateShader 創建著色器對象。

  3. 編譯著色器：使用 glShaderSource 和 glCompileShader 編譯著色器代碼。

  4. 創建程序對象：使用 glCreateProgram 創建程序對象。

  5. 附加著色器：使用 glAttachShader 將編譯好的著色器附加到程序對象。

  6. 鏈接程序：使用 glLinkProgram 鏈接程序對象。

  7. 使用程序：使用 glUseProgram 使用鏈接好的程序對象。

著色器的優勢

  1. 高度自定義：開發者可以自定義渲染管線的各個階段，實現復雜的圖形效果。

  2. 性能優化：著色器在 GPU 上運行，可以利用 GPU 的并行處理能力，提高渲染性能。

  3. 跨平臺兼容性：著色器語言（如 GLSL）在不同的圖形 API 和硬件平臺上具有較好的兼容性。

總之，著色器是現代圖形渲染中不可或缺的一部分，它們為開發者提供了強大的工具來實現高度自定義的視覺效果。

void  prepareShader()
{cout << "prepareShader()" << endl;//1.完成vs和fs，并且裝字符串const char* vertexShaderSource ="#version 460 core\n""layout(location = 0) in vec3 aPos;\n""void main()\n""{\n""gl_Position = vec4(aPos.x,aPos.y,aPos.z,1.0);\n""}\n\0";const char* fragmentShaderSource ="#version 330 core\n""out vec4 FragColor;\n""void main()\n""{\n""FragColor = vec4(1.0f,0.5f,0.2f,1.0);\n""}\n\0";//2創建Shader程序（vs和fs）GLuint vertex, fragment;vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);fragment = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);//3為shader程序輸入Shader代碼glShaderSource(vertex, 1, &vertexShaderSource, NULL); //字符串用\0進行結尾，不需要告訴他長度。glShaderSource(fragment, 1, &fragmentShaderSource, NULL); //字符串用\0進行結尾，不需要告訴他長度。int success = 0;char infoLog[1024];//4 執行Shader編譯glCompileShader(vertex);//5 檢查是否正確編譯glGetShaderiv(vertex, GL_COMPILE_STATUS, &success);if (!success) // 0有問題，非0沒有問題{glGetShaderInfoLog(vertex, 1024, NULL, infoLog); //獲取日志信息cout << "Error Vertex Shaser Complie: " << infoLog << endl;}//4 執行fragment編譯glCompileShader(fragment);//5 檢查是否正確編譯glGetShaderiv(fragment, GL_COMPILE_STATUS, &success);if (!success) // 0有問題，非0沒有問題{glGetShaderInfoLog(vertex, 1024, NULL, infoLog); //獲取日志信息cout << "Error Fragment Shader Complie: " << infoLog << endl;}// 創建Program殼子GLuint program = 0;program =	glCreateProgram();//將編譯后的結果放進ProgramglAttachShader(program, vertex);glAttachShader(program, fragment);// 執行program鏈接操作，形成最終的shader程序。glLinkProgram(program);//檢查鏈接錯誤glGetProgramiv(program, GL_LINK_STATUS, &success);if (!success) // 0有問題，非0沒有問題{glGetProgramInfoLog(program, 1024, NULL, infoLog); //獲取日志信息cout << "Error Program Link: " << infoLog << endl;}//清理glDeleteShader(vertex);glDeleteShader(fragment);}
#include <iostream>
//#include "thrirdParty/include/GLFW/glfw3.h" 
#include "glad/glad.h"   //需要先引用glad的頭文件。 用于加載 OpenGL 函數指針
#include "GLFW/glfw3.h" // 用于創建窗口和處理輸入。	
#include <assert.h>
#include "wrapper/checkerror.h"
#include "application/application.h"
using namespace std;/*
* 目標：學習DrawArray進行繪制
* 1.采用GL_TRANGLES進行繪制三角形
* 這里可以縮放窗體，實驗NDC坐標的作用。
* prepareVAOForGLTriangles:構建四個頂點的VAO
*  
*/GLuint vao, program;void prepareSingleBuffer()
{//1.準備頂點位置數據與顏色數據float positions[] = {-0.5f,-0.5f,0.0f,0.5f,-0.5f,0.0f,0.0f,0.5f,0.0f,};float colors[] = {1.0f,0.0f,0.0f,0.0f,1.0f,0.0f,0.0f,0.0f,1.0f,};//2.為位置&顏色數據各自生成一個VBOGLuint posVbo = 0, colorVbo = 0;GL_CALL(glGenBuffers(1, &posVbo));GL_CALL(glGenBuffers(1, &colorVbo));//3.給兩個分開的VBO各自填充數據//positions填充數據GL_CALL(glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, posVbo));GL_CALL(glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(positions), positions, GL_STATIC_DRAW));//colors填充數據GL_CALL(glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorVbo));GL_CALL(glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(colors), colors, GL_STATIC_DRAW));//生成VAO并且綁定GLuint vao = 0;glGenVertexArrays(1, &vao);glBindVertexArray(vao);// 分別將數據放入VAO//描述位置屬性glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, posVbo);//只有綁定了vbo,下面的屬性描述才于此有關系glEnableVertexAttribArray(0);glVertexAttribPointer(0,3,GL_FLOAT,GL_FALSE,3*sizeof(float),0);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorVbo);//只有綁定了vbo,下面的屬性描述才于此有關系glEnableVertexAttribArray(1);glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), 0);glBindVertexArray(0); //將VAO進行解綁}void prepareInterLeavedBuffer()
{cout << "prepareInterLeavedBuffer()" << endl;float vertices[] = {-0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,0.0f,0.0f,0.5f,-0.5f,0.0f,0.0f,1.0f,0.0f,0.0f,0.5f,0.0f,0.0f,0.0f,1.0f};//2.為位置&顏色數據各自生成一個VBOGLuint vbo = 0;GL_CALL(glGenBuffers(1, &vbo));GL_CALL(glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo));GL_CALL(glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW));//生成VAO并且綁定//GLuint vao = 0;glGenVertexArrays(1, &vao);glBindVertexArray(vao);// 分別將數據放入VAO//描述位置屬性glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);//只有綁定了vbo,下面的屬性描述才于此有關系glEnableVertexAttribArray(0);glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);//顏色屬性//glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);//只有綁定了vbo,下面的屬性描述才于此有關系glEnableVertexAttribArray(1);glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float),(void*)(3*sizeof(float)));glBindVertexArray(0); //將VAO進行解綁
}void prepareVAOForTriangles()
{cout << "prepareVAOForTriangles()" << endl;//目前暫時不用顏色float vertices[] = {-0.5f,-0.5f,0.0f,0.5f,-0.5f,0.0f,0.0f,0.5f,0.0f,0.5f,0.5f,0.0f,0.8f,0.8f,0.0f,0.8f,0.0f,0.0f};//2.生成一個VBOGLuint vbo = 0;GL_CALL(glGenBuffers(1, &vbo));GL_CALL(glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo));GL_CALL(glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW));//生成VAO并且綁定glGenVertexArrays(1, &vao);glBindVertexArray(vao);// 分別將數據放入VAO//描述位置屬性glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);//只有綁定了vbo,下面的屬性描述才于此有關系glEnableVertexAttribArray(0);glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);glBindVertexArray(0); //將VAO進行解綁
}void  prepareShader()
{cout << "prepareShader()" << endl;//1.完成vs和fs，并且裝字符串const char* vertexShaderSource ="#version 460 core\n""layout(location = 0) in vec3 aPos;\n""void main()\n""{\n""gl_Position = vec4(aPos.x,aPos.y,aPos.z,1.0);\n""}\n\0";const char* fragmentShaderSource ="#version 330 core\n""out vec4 FragColor;\n""void main()\n""{\n""FragColor = vec4(1.0f,0.5f,0.2f,1.0);\n""}\n\0";//2創建Shader程序（vs和fs）GLuint vertex, fragment;vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);fragment = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);//3為shader程序輸入Shader代碼glShaderSource(vertex, 1, &vertexShaderSource, NULL); //字符串用\0進行結尾，不需要告訴他長度。glShaderSource(fragment, 1, &fragmentShaderSource, NULL); //字符串用\0進行結尾，不需要告訴他長度。int success = 0;char infoLog[1024];//4 執行Shader編譯glCompileShader(vertex);//5 檢查是否正確編譯glGetShaderiv(vertex, GL_COMPILE_STATUS, &success);if (!success) // 0有問題，非0沒有問題{glGetShaderInfoLog(vertex, 1024, NULL, infoLog); //獲取日志信息cout << "Error Vertex Shaser Complie: " << infoLog << endl;}//4 執行fragment編譯glCompileShader(fragment);//5 檢查是否正確編譯glGetShaderiv(fragment, GL_COMPILE_STATUS, &success);if (!success) // 0有問題，非0沒有問題{glGetShaderInfoLog(vertex, 1024, NULL, infoLog); //獲取日志信息cout << "Error Fragment Shader Complie: " << infoLog << endl;}// 創建Program殼子//GLuint program = 0;program =	glCreateProgram();//將編譯后的結果放進ProgramglAttachShader(program, vertex);glAttachShader(program, fragment);// 執行program鏈接操作，形成最終的shader程序。glLinkProgram(program);//檢查鏈接錯誤glGetProgramiv(program, GL_LINK_STATUS, &success);if (!success) // 0有問題，非0沒有問題{glGetProgramInfoLog(program, 1024, NULL, infoLog); //獲取日志信息cout << "Error Program Link: " << infoLog << endl;}//清理glDeleteShader(vertex);glDeleteShader(fragment);}void render()
{//GL_CALL( glClear(1) );//加上gl_call如果產生錯誤可以打印出來，雖然vs智能提示有問題GL_CALL(glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT));//渲染操作//1. 使用當前的programglUseProgram(program);//綁定當前的vaoglBindVertexArray(vao);//發出繪制指令//繪制三角形// 如果點數不夠，就會連到0,0點  （123 和456）繪制兩組三角形glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);//繪制的模式// GL_TRIANGLES 繪制三角形//		默認以三個點繪制一組三角形，不夠三個點就不顯示//	GL_TRIANGLE_STRIP：//		末尾點數為偶數【n-2 n-1 n】,基數【n-1 n-2 n】 n從0開始//		并且會復用之前的點//	GL_TRIANGLE_FAN：以扇形序列v0為起點，連接三角形。// GL_LINES:繪制直線// GL_LINE_STRIP//	 }void onResize(int width,int height)
{GL_CALL(glViewport(0, 0, width, height));cout << "onResize " << endl;
}void frameBufferSizeCallback(GLFWwindow* win, int width, int height)
{std::cout << "窗體的最新大小為：" << width << "高度為：" << height << std::endl;//更新窗體的大小glViewport(0, 0, width, height);}void keyCallback(GLFWwindow* window, int key, int scancode, int action, int mods){// key 字母按鍵碼 // scancode 物理按鍵碼		 // action：0抬起1按下2長按// mods：是否有shift（1）或ctrl（2） cout << "key = " << key << " scancode = " << scancode << " action = " << action << " mods = " << mods << endl;if (key == GLFW_KEY_W){//按下了w}else if (action == GLFW_PRESS){//按下了}else if (action == GLFW_RELEASE){//抬起}}int main(int argc,char**argv)
{cout << "===================================" << endl;if (app->init(800,600) == -1){return -1;}//設置監聽幀緩沖窗口大小回調函數。//glfwSetFramebufferSizeCallback(win, frameBufferSizeCallback);//glfwSetKeyCallback(win, keyCallback);app->setResizeCallBack(onResize);app->setkeyCallBack(keyCallback);//設置OpenGL視口以及清理顏色glViewport(0,0,800,600);glClearColor(0.2f,0.3f,0.3f,1.0f);prepareShader();prepareVAOForTriangles();// 3. 執行窗體循環// while (app->update() == 0 ){render();}// 4. 退出程序前做相關清理app->destroy();cout << "===================================" << endl;//const double M_PI = 3.14159265358979323846;//double radians = M_PI / 2; // 90度，轉換為弧度//double sineValue = sin(radians);//std::cout << "sin(" << radians << ") = " << sineValue << std::endl;//system("pause");return 0;
}

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