传递顶点属性信息

之前讲过，vertex shader会被每个顶点调用，通常一个顶点会包含很多信息，例如顶点坐标、顶点法向量、纹理坐标等等，我们称这些信息为顶点的属性。在之前的OpenGL版本里，每个属性都对应了一个特定的通道，我们使用glVertex,glTexCoord,,glNormal（或者通过访问指针函数glVertexPointer, glTexCoordPointer, orglNormalPointer）等函数来访问和设置它们。随后，shader会自己通过内置变量gl_Vertex 和 gl_Normal来访问这些属性。但在OpenGL3.0版本里，这些都被弃用了。在后续版本里，甚至都被移除了。而现在，这些通过generic vertex attributes，图形顶点属性，来提供（通常和顶点缓冲对象互相协作来完成）。我们可以根据需要为每个顶点定义任意数量的（其实是在0到GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS – 1之间）属性。OpenGL会为这些属性定义一个索引，我们只要根据这些索引来访问就可以了。

在一个vertex shader里，一个顶点属性是由GLSL 标识符 “in” 来定义的。例如，下面的代码里定义了两个vec3的属性，VertexPosition和VertexColor。

1. #version 400
2. in vec3VertexPosition;
3. in vec3 VertexColor;
4. out vec3 Color;
5. void main()
6. {
7. Color = VertexColor;
8. gl_Position = vec4(VertexPosition,1.0);
9. }

注意到这里还有一个类型为vec3的输出 Color，它将传递给下一层处理的shader中，这里也就是我们的fragment shader（fragment可以理解为具有很多属性的像素）。这里，我们还是使用之前那个简单的fragment shader。

1. #version 400
2. in vec3 Color;
3. out vec4 FragColor;
4. void main() {
5. FragColor = vec4(Color, 1.0);
6. }

当然，vertexshader真正的数据还需要我们从OpenGL程序里传入。这就有了两种向Shader传递顶点属性的方法。

在这之前，我们首先要创建一个VAO，vertex array object，顶点数组对象。主要想要仔细了解这个是干嘛的，还请自行查阅资料，还是很多滴。这里，我们只要知道，它包含了我们的缓冲区和输入的顶点属性之间的对应关系就可以了。在一个OpenGL程序里，我们可以使用多个VAO，并在它们之间切换。现在我们只使用一个。

1. GLuint VertexArrayID;
2. glGenVertexArrays(1,&VertexArrayID);
3. glBindVertexArray(VertexArrayID);

最后一句话表明，接下来我们所做的所有绑定操作，例如建立顶点属性和输入之间的对应关系，都是针对这个VAO的。

下面我们需要为要传输的数据生成对应的缓冲区。这些缓冲区随后会在绘制函数中，通过顶点属性索引传递给我们的shader。

因为在本例中，我们有两个属性值，因此需要建立两个缓冲区。

首先定义缓冲区的数据，也就是我们的顶点信息。我们现在需要画一个三角形，因此只需要三个点。

1. // An array of 3vectors which represents 3 vertices
2. float positionData[]= {
3. -0.8f, -0.8f, 0.0f,
4. 0.8f, -0.8f, 0.0f,
5. 0.0f, 0.8f, 0.0f };

然后创建一个缓冲区，并用上面的数据为其填充。

1. // This will identifyour vertex buffer
2. GLuint vertexbuffer;
4. // Generate 1 buffer,put the resulting identifier in vertexbuffer
5. glGenBuffers(1, &vertexbuffer);
7. // The followingcommands will talk about our 'vertexbuffer' buffer
8. glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vertexbuffer);
10. // Give our verticesto OpenGL.
11. glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(positionData), positionData, GL_STATIC_DRAW);

这样就完成的第一个顶点属性，VertexPosition数据的前期准备工作。VertexColor的数据是类似的。

1. float colorData[] = {
2. 1.0f, 0.0f, 0.0f,
3. 0.0f, 1.0f, 0.0f,
4. 0.0f, 0.0f, 1.0f };
7. // This will identifyour vertex buffer
8. GLuint colorbuffer;
10. // Generate 1 buffer,put the resulting identifier in vertexbuffer
11. glGenBuffers(1,&colorbuffer)
12. // The followingcommands will talk about our 'vertexbuffer' buffer
13. glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,colorbuffer);
15. // Give our verticesto OpenGL.
16. glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(colorData), colorData, GL_STATIC_DRAW);

现在准备好了数据（现在存储在两个buffer里），我们就得让OpenGL程序知道所要传递的数据应该给谁。前面说过，OpenGL会为顶点属性创建一个0到GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS – 1的索引，既然如此，我们首先要定义一下索引和Shader里变量的对应关系，就好比我们在写一个目录，我们必须告诉OpenGL，页码0对应的是什么内容，而页码1又对应着什么内容，这里的内容指的就是shader中以“in”为关键字的变量。定义了索引对应关系后，在绘制函数里，我们就可以根据索引来传递数据了。

这里，根据定义这种索引对应关系的途径，可以分为下面两种。

使用glBindAttribLocation

第一种方法是通过glBindAttribLocation函数来实现索引和变量之间的对应关系。

首先，我们为shader中的每个顶点属性变量指定一个索引（一般从0开始）。

1. // Bind index 0 tothe shader input variable "VertexPosition"
2. glBindAttribLocation(programHandle,0, "VertexPosition");
3. // Bind index 1 tothe shader input variable "VertexColor"
4. glBindAttribLocation(programHandle,1, "VertexColor");

上述代码规定，shader里名字为VertexPosition的变量对应顶点属性索引为0，VertexColor对应索引为1。如果使用这种方法，你需要确保在编译程序之后、链接程序之前就调用它们。

在Shader中直接指定

另一种方法则是在shader中直接指定，这是通过GLSL的关键词layout来是实现。为了实现这样的效果，我们需要更改之前的vertex shader的内容。如下：

1. #version 400
2. layout(location = 0)in vec3 VertexPosition;
3. layout(location = 1)in vec3 VertexColor;
4. out vec3 Color;
5. void main()
6. {
7. Color = VertexColor;
8. gl_Position = vec4(VertexPosition,1.0);
9. }

类似这样的代码layout(location = 0)指定了顶点属性VertexPosition对应了索引值0.

 

现在所有的准备工作都做完了：我们既完成了缓冲区数据的填充，也完成了顶点属性索引和shader输入变量之间的对应关系，剩下的工作就是在绘制函数中告诉OpenGL，请使用xxx buffer内的数据来为索引为x的顶点属性赋值。

1. // 1rst attributebuffer : vertices
2. glEnableVertexAttribArray(0);
3. glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vertexbuffer);
4. glVertexAttribPointer(
5. 0, // attribute 0. No particularreason for 0, but must match the layout in the shader.
6. 3, // size
7. GL_FLOAT, // type
8. GL_FALSE, // normalized?
9. 0, // stride
10. (void*)0 // array buffer offset
11. );

第一行代码表示我们需要启用索引为0的顶点属性。然后第二行表明我们要使用vertexbuffer内的数据，下面的操作都是针对这个缓冲区的。第三行代码中函数的参数比较多，第一个参数指明要操作的属性索引值，第二个参数则说明每个顶点属性需要几个数据（可以为1,2,3或4），因为vertexbuffer里现在存储了3X3=9个数据，而实际上3个是一组，每个顶点需要使用3个数据。第三个参数指定了缓冲区内每个数据的类型，这里顶点坐标使用的是浮点类型。第四个参数表明数据是否需要normalized，归一化（对于有符号整数，归一化将使数据保持在[-1, 1]范围内，对于无符号整数，则在范围[0, 1]）。第五个参数是步幅，指定了两个连续的顶点属性之间的偏移量（以字节为单位）。这里我们的数据是连续的，因此数值为0。最后一个参数看似是一个指针，但实际上它并不是起到指针的作用。实际上，它表明缓冲区的开头距离第一个顶点属性之间的偏移量。这里，缓冲区里第一个顶点属性之前并没有任何额外的信息，因为我们取值为0。

colors的传递工作是一样的。

1. // 2cond attributebuffer : vertices
2. glEnableVertexAttribArray(1);
3. glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,colorbuffer);
4. glVertexAttribPointer(
5. 1, // attribute 1. No particularreason for 0, but must match the layout in the shader.
6. 3, // size
7. GL_FLOAT, // type
8. GL_FALSE, // normalized?
9. 0, // stride
10. (void*)0 // array buffer offset
11. );

哇哈哈，终于所有的工作都完成了，现在就可以告诉OpenGL真正开始绘制了！这一步非常简单只需要一个函数。（在这之前请确保已经绑定了我们最开始创建的VAO，如果没有，请调用glBindVertexArray(VertexArrayID)）

glDrawArrays(GL_TRIANGLES,0, 3 );

这个函数表明，OpenGL将逐步访问每个顶点属性的缓冲区，然后把数据传递到OpenGL管线里交给vertexshader。第一个参数是渲染模式，这里表明我们将使用三角形进行绘制。第二个参数是指，在开启的属性中的第一个索引，这里我们开启了两个属性，分别为0和1，因此第一个索引为0。第三个参数是指渲染所需的索引数量，这里我们使用三角形模式，因此每个三角形需要3个顶点。每个顶点需要一个索引。

除了glDrawArrays，我们还可以使用glDrawElements进行绘制，这在之后的文章会讲到。

 

你可能注意到，对于fragment shader的输出，FragColor我们没有进行任何工作，它存储了每个像素最后输出的颜色值。这里我们先不用管它，我们只要知道，它默认将会传递给后台的颜色缓冲就可以了。

 

 

传递Uniform变量

顶点属性信息给我们提供了一个和shader交互的非常好的途径，而第二个途径是就使用shader的uniform变量。想比于上一种变量类型，uniform变量很少改变，通常模型矩阵、视角矩阵、透视矩阵等都是属于这个类型。而且，这类变量在shader里是只读的，我们只能在OpenGL程序里改变它们，再传递给shader。在同一个OpenGL程序中，同一个名字的uniform变量可以同时出现了多个shader程序中，但是它们的类型必须一样。也就是说，所有的uniform变量共享一个uniform空间。

我们依然使用上面的例子，但是在vertex shader里添加一行代码：

1. #version 400
2. layout (location = 0)in vec3 VertexPosition;
3. layout (location = 1)in vec3 VertexColor;
4. out vec3 Color;
5. uniform mat4RotationMatrix;
6. void main()
7. {
8. Color = VertexColor;
9. gl_Position = RotationMatrix * vec4(VertexPosition,1.0);
10. }

然后在OpenGL程序里，可以这样向shader传递：

1. glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
2. mat4 rotationMatrix =glm::rotate(mat4(1.0f), angle,
3. vec3(0.0f,0.0f,1.0f));
4. GLuint location=glGetUniformLocation(programHandle, "RotationMatrix");
5. if( location >= 0)
6. {
7. glUniformMatrix4fv(location, 1, GL_FALSE,&rotationMatrix[0][0]);
8. }

glGetUniformLocation函数得到名字为“RotationMatrix”在shader中的位置，然后再判断该变量是否存在（如果不存在，则会返回-1）。如果存在，在通过glUniformMatrix4fv函数向其传递数据。该函数的第一个参数是该变量在shader中的位置，第二个参数是被赋值的矩阵的数目（因为uniform变量可以是一个数组）。第三个参数表明在向uniform变量赋值时该矩阵是否需要转置。因为我们使用的是glm定义的矩阵，因此不要进行转置。但如果你正在使用一个数组来实现矩阵，并且这个矩阵是按行定义的，那么你就需要设置这个参数为GL_TRUE。最后一个参数就是传递给uniform变量的数据的指针了。

 

当然，uniform变量可以是任意合法的GLSL类型的变量，包括自定义的复杂数据类型。OpenGL为每个类型提供了具有它们特征的后缀的glUniform函数，例如，为了给一个vec3类型的变量赋值，我们可以使用glUniform3f或者glUniform3fv。

对于数组类型变量，我们使用具有后缀“v”的函数进行赋值（像我们的例子一样）。除此之外，我们还可以使用[ ] 操作符访问特定的位置的变量。例如为了访问MyArray数组的第二个变量，我们可以这样做：

GLuint location =glGetUniformLocation( programHandle, "MyArray[1]" );

对于结构体，我们必须为它的成员变量逐一赋值。和一个数组类似，我们可以这样访问结构体的成员变量：

GLuint location =glGetUniformLocation( programHandle, "MyMatrices.Rotation" );

使用Uniform blocks和Uniform buffer objects

如果你的程序涉及了多个shader程序，而且它们使用同一个uniform变量，那么你就需要为每个shader程序单独管理它们。当一个程序被链接时，OpenGL会自动生成uniform的位置，因此对于不同的shader程序，同一个uniform变量的位置可能是不一样的。而uniform blocks就是为了方便我们管理shader之间共享的uniform变量。

 

通过一个uniform block对象，我们可以创建一个缓冲区用于存储所有的uniform变量，然后把这个缓冲区绑定到uniform block上。这样，当我们需要改变使用的shader程序时，只需要再重新把uniform block绑定到新的shader程序就可以了。

例如，下面就声明了一个包四个uniform变量的uniform block对象：

1. uniform BlobSettings{
2. vec4 InnerColor;
3. vec4 OuterColor;
4. float RadiusInner;
5. float RadiusOuter;
6. };

通过这种类型的block定义，包含的四个uniform变量同样是存在在全局空间中的，而不需要指定block变量名。而存储uniform block的缓冲区被称为uniform buffer objects。它们和我们之前遇到的顶点属性缓冲区一样，仅仅是绑定到了一段特定的位置。

 

为了示例uniform blocks和uniform buffer objects的用法，我们现在将试图完成下面的工作：利用贴图坐标绘制一个正方形（也就是两个三角形），然后利用fragment shader在正方形中央绘制一个圆形，这个圆形内部是实心的，但边缘将逐渐模糊。如下图所示：

我们使用顶点属性索引为0的属性对应顶点信息，索引为1的属性对应纹理坐标信息。vertex shader如下所示：

1. #version 400
2. layout (location = 0)in vec3 VertexPosition;
3. layout (location = 1)in vec3 VertexTexCoord;
4. out vec3 TexCoord;
5. void main()
6. {
7. TexCoord = VertexTexCoord;
8. gl_Position = vec4(VertexPosition,1.0);
9. }

 

fragment shader如下：

1. #version 400
2. in vec3 TexCoord;
3. layout (location = 0)out vec4 FragColor;
4. uniform BlobSettings{
5. vec4 InnerColor;
6. vec4 OuterColor;
7. float RadiusInner;
8. float RadiusOuter;
9. };
10. void main() {
11. float dx = TexCoord.x - 0.5;
12. float dy = TexCoord.y - 0.5;
13. float dist = sqrt(dx * dx + dy * dy);
14. FragColor = mix( InnerColor, OuterColor,smoothstep( RadiusInner, RadiusOuter, dist));
15. }

 

名为BlobSetting的uniform block对象定义了我们的模糊圆形所需要的所有参数：实心部分的颜色，外部的颜色，内部实心圆的半径，外部圆的半径。在main函数里，计算了圆形的颜色信息。首先根据纹理坐标计算距离中心（0.5， 0.5）的距离，然后使用smoothstep函数得到颜色信息，如果dist小于RadiusInner，那么将返回0，如果大于RadiuOuter那么返回1，否则将返回（0.0,1.0）之间的值。mix函数将根据smoothstep的返回值，使用InnerColor和OuterColor进行线性插值，以实现渐变的效果。

 

下面重头戏开始！在OpenGL程序里，我们需要怎么为它们赋值呢？

 

首先要得到uniform block变量的索引：

GLuint blockIndex =glGetUniformBlockIndex(programHandle, "BlobSettings");

然后为存储uniform block的缓冲区的数据分配空间，用来存储这些数据。当然，在这之前我们需要知道block空间的大小。我们可以使用glGetActiveUniformBlockiv函数来得到。

1. GLint blockSize;
2. glGetActiveUniformBlockiv(programHandle,blockIndex, GL_UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE, &blockSize);
3. GLubyte *blockBuffer= (GLubyte *) malloc(blockSize);

 

之后，查询block内每个变量的偏移量（这是为了根据偏移量来填充buffer）。但首先，我们需要得到每个变量的索引。

1. // Query for theoffsets of each block variable
2. const GLchar *names[]= { "InnerColor", "OuterColor", "RadiusInner","RadiusOuter" };
3. GLuint indices[4];
4. glGetUniformIndices(programHandle,4, names, indices);
5. GLint offset[4];
6. glGetActiveUniformsiv(programHandle,4, indices, GL_UNIFORM_OFFSET,offset);

glGetUniformIndices函数接受一个变量名字的数组（第三个参数），然后返回这些变量在数据里的索引（第四个参数）。然后我们使用这些索引，通过调用glGetActiveUniformsiv函数来得到不同变量的偏移量。

然后，在合适的偏移位置为buffer填充数据。

1. GLfloat outerColor[]= {0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f};
2. GLfloat innerColor[]= {1.0f, 1.0f, 0.75f, 1.0f};
3. GLfloat innerRadius =0.25f, outerRadius = 0.45f;
4. memcpy(blockBuffer +offset[0], innerColor, 4 * sizeof(GLfloat));
5. memcpy(blockBuffer +offset[1], outerColor, 4 * sizeof(GLfloat));
6. memcpy(blockBuffer +offset[2], &innerRadius, sizeof(GLfloat));
7. memcpy(blockBuffer +offset[3], &outerRadius, sizeof(GLfloat));

真正创建一个buffer，把之前在内存中存数的数据复制给它。

1. GLuint uboHandle;
2. glGenBuffers( 1,&uboHandle );
3. glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboHandle );
4. glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, blockSize, blockBuffer, GL_DYNAMIC_DRAW );

注意到在最后一行，我们使用GL_DYNAMIC_DRAW作为第三个参数，这是因为在渲染过程中，uniform变量通常是变化的。当然，这也完全视情况而定。

最后，把buffer绑定到uniform block上。

glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, blockIndex, uboHandle );

如果在之后你需要改变uniform block的数据，你可以调用glBufferSubData函数。在这之前，你必须要先绑定当前的buffer到GL_UNIFORM_BUFFER图形绑定点（通过调用glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboHandle)）。

为一个Uniform block使用实例名

 

一个uniform block可以有一个实例名。例如我们可以为我们的BlobSettings block使用一个实例名Blob：

1. uniform BlobSettings{
2. vec4 InnerColor;
3. vec4 OuterColor;
4. float RadiusInner;
5. float RadiusOuter;
6. } Blob;

这样，uniform block里的变量就会移动到Blob命名空间下，因此，我们在fragment shader的main函数里，需要这样访问它们：

FragColor = mix(Blob.InnerColor, Blob.OuterColor, smoothstep( Blob.RadiusInner,Blob.RadiusOuter, dist ));

当然，在OpenGL代码里你也需要做出相应的改变。这里，有的时候需要你使用uniform block名 BlobSetting来进行访问，但有时却需要使用实例名Blob访问。