opengl之vsh、fsh简易介绍+cocos2dx 3.0 shader 变灰

认识着色器

 

理解OpenGL渲染管线，对于学习OpenGL非常重要。下面是OpenGL渲染管线的示意图：（图中淡蓝色区域是可以编程的阶段）

此图是从wiki中拿过来的，OpenGL的渲染管线主要包括：

1. 准备顶点数据（通过VBO、VAO和Vertex attribute来传递数据给OpenGL）

2. 顶点处理（这里主要由Vertex Shader来完成，从上图中可以看出，它还包括可选的Tessellation和Geometry shader阶段）

3. 顶点后处理（主要包括Clipping,顶点坐标归一化和viewport变换）

4. Primitive组装(比如3点组装成一个3角形）

5. 光栅化成一个个像素

6. 使用Fragment shader来处理这些像素

7. 采样处理（主要包括Scissor Test, Depth Test, Blending, Stencil Test等）。

OpenGL Shader Language,简称GLSL，它是一种类似于C语言的专门为GPU设计的语言，它可以放在GPU里面被并行运行。

 

opengl es的着色器有.fsh和.vsh两个文件。这两个文件在被编译和链接后就可以产生可执行程序与GPU交互。

.vsh 是 vertex shader，用与顶点计算，可以理解控制顶点的位置，在这个文件中我们通常会传入当前顶点的位置，和纹理的坐标。

例如：

attribute vec4 position; 
attribute vec4 inputTextureCoordinate;

varying vec2 textureCoordinate;

precision mediump float;
uniform float overTurn;

void main()
{
gl_Position = position;
    if (overTurn>0.0) {
        textureCoordinate = vec2(inputTextureCoordinate.x,overTurn-inputTextureCoordinate.y);
    }
    else
        textureCoordinate = vec2(inputTextureCoordinate.x,inputTextureCoordinate.y);
}

首先，每一个Shader程序都有一个main函数，这一点和c语言是一样的。

这里面有两种类型的变量，一种是attribute，另一种是varying.

attribute是从外部传进来的，每一个顶点都会有这两个属性，所以它也叫做vertex attribute（顶点属性）。

而varying类型的变量是在vertex shader和fragment shader之间传递数据用的。

这里的变量命名规则保持跟c一样就行了，注意gl_开头的变量名是系统内置的变量，所以大家在定义自己的变量名时，请不要以gl_开头。

而CC_MVPMatrix是一个mat4类型的变量，它是在cocos2d-x内部设置进来的。

即：

attribute：外部传入vsh文件的变量 每帧的渲染的可变参数 变化率高 用于定义每个点。

varying：用于 vsh和fsh之间相互传递的参数。

precision mediump float 定义中等精度的浮点数。

uniform 外部传入vsh文件的变量 变化率较低 对于可能在整个渲染过程没有改变 只是个常量。

在main()当overTurn大于0的时候，函数里面做的事情就是将纹理y轴反转。

vertex shader是作用于每一个顶点的，如果vertex有三个点，那么vertex shader会被执行三次。

.fsh 是片段shader。在这里面我可以对于每一个像素点进行重新计算。

varying highp vec2 textureCoordinate;
precision mediump float;
uniform sampler2D videoFrame;

vec4 memoryRender(vec4 color)
{
    float gray;
    gray = color.r*0.3+color.g*0.59+color.b*0.11;
    color.r = gray;
    color.g = gray;
    color.b = gray;
    
    color.r += color.r*1.5;
    color.g = color.g*2.0;
    
    if(color.r > 255.0)
    color.r = 255.0;
    if(color.g > 255.0)
    color.g = 255.0;
    
    return color;
}

void main()
{
    vec4 pixelColor;

    pixelColor = texture2D(videoFrame, textureCoordinate);
    
    gl_FragColor = memoryRender(pixelColor);
}

varying highp vec2 textureCoordinate 就是从vsh中传过来了纹理坐标。

uniform sampler2D videoFrame 是我们真正的纹理贴图。

texture2D(videoFrame, textureCoordinate) 将纹理中的每个像素点颜色取出到pixelColor。

可以用memoryRender(pixelColor)将取到像素点重新加工。

fragment shader中也有一个main函数，同时我们看到这里也声明了一个与vertex shader相同的变量textureCoordinate。前面我们讲过，这个变量是用来在vertex shader和fragment shader之间传递数据用的。所以，它们的参数类型必须完全相同。如果一个是vec3,一个是vec4，shader编译的时候是会报错的。

而gl_FragColor我们知道它肯定是一个系统内置变量了，它的作用是定义最终画在屏幕上面的像素点的颜色。

总结：

对于着色器的编程并不是很困难，完全是C的语法。但是debug比较麻烦，对于类型的约束也很严格，必须是相同类型的才能进行算术运算。我们理解了这两个文件之后，就可以发挥我们的想象对纹理图片做出各种的处理。

另有人总结：

vsh 负责搞定像素位置 ,填写  gl_Posizion 变量，偶尔搞定一下点大小的问题，填写 gl_PixelSize。

fsh 负责搞定像素外观，填写 gl_FragColor ，偶尔配套填写另外一组变量。

他们都是一个像素运行一次的，也可能运行多次。为了“这一像素”而努力计算。

 程序的版本是cocos2dx 3.0.vs 2012.

代码如下：

#ifndef  __GLTesting_H_
#define  __GLTesting_H_

#include "cocos2d.h"

USING_NS_CC;

class GLTestingLayer : public cocos2d::Layer
{
public:
    static cocos2d::Scene* createScene();
    virtual bool init();  
    void menuCloseCallback(cocos2d::Ref* pSender);
    CREATE_FUNC(GLTestingLayer);
    void graySprite(Sprite * sprite);
    virtual void visit( Renderer* renderer, const kmMat4 &parentTransform, bool parentTransformUpdated ) override;
    void onDraw();
private:
    CustomCommand _command;
};
#endif // ! __GLTesting_H_

#include "GLTestingLayer.h"

cocos2d::Scene* GLTestingLayer::createScene()
{
    auto scene = Scene::create();
    auto layer = GLTestingLayer::create();
    scene->addChild(layer);
    return scene;
}

bool GLTestingLayer::init()
{
    if ( !Layer::init() )  
    {  
        return false;  
    }  

    this->setPosition(0,0);
    Size visibleSize = Director::getInstance()->getVisibleSize();  
    auto sprite = Sprite::create("HelloWorld.png");  
    sprite->setAnchorPoint(Point(0.5, 0.5));  
    sprite->setPosition(Point(visibleSize.width / 2, visibleSize.height / 2));  
    this->addChild(sprite);  
    graySprite(sprite);  

    this->setShaderProgram( ShaderCache::getInstance()->getProgram(GLProgram::SHADER_NAME_POSITION_COLOR));

    return true;  
}

void GLTestingLayer::menuCloseCallback( cocos2d::Ref* pSender )
{

}

void GLTestingLayer::graySprite( Sprite * sprite )
{
    if(sprite)  
    {   
        GLProgram * p = new GLProgram();  
        p->initWithFilenames("gray.vsh", "gray.fsh");  
        p->bindAttribLocation(GLProgram::ATTRIBUTE_NAME_POSITION, GLProgram::VERTEX_ATTRIB_POSITION);  
        p->bindAttribLocation(GLProgram::ATTRIBUTE_NAME_COLOR, GLProgram::VERTEX_ATTRIB_COLOR);  
        p->bindAttribLocation(GLProgram::ATTRIBUTE_NAME_TEX_COORD, GLProgram::VERTEX_ATTRIB_TEX_COORDS);  
        p->link();  
        p->updateUniforms();  
        sprite->setShaderProgram(p);  
    }  

}

void GLTestingLayer::visit( Renderer* renderer, const kmMat4 &parentTransform, bool parentTransformUpdated )
{
    Layer::visit( renderer, parentTransform, parentTransformUpdated );
    _command.init(_globalZOrder);
    _command.func = CC_CALLBACK_0(GLTestingLayer::onDraw,this);
    Director::getInstance()->getRenderer()->addCommand(&_command);
}

void GLTestingLayer::onDraw()
{
    auto glProgram = this->getShaderProgram();
    glProgram->use();
    glProgram->setUniformsForBuiltins();
    glPointSize( 10.0f);
    glColor4f( 0.0f,1.0f,0.0f,1.0f);
    auto size = Director::getInstance()->getWinSize();

    float vertercies[] = { 100,100,
                            200, 200,
                            300, 100 };
    float color[] = { 1,0,0,1,
                      0,1,0,1,
                      0,0,1,1 };
    GL::enableVertexAttribs(GL::VERTEX_ATTRIB_FLAG_POSITION | GL::VERTEX_ATTRIB_FLAG_COLOR );
    glVertexAttribPointer(GLProgram::VERTEX_ATTRIB_POSITION, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, vertercies );
    glVertexAttribPointer(GLProgram::VERTEX_ATTRIB_COLOR, 4, GL_FLOAT,GL_TRUE, 0, color);
    // 绘制三角形  
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0 ,3 );
    //通知cocos2d-x 的renderer，让它在合适的时候调用这些OpenGL命令  
    CC_INCREMENT_GL_DRAWN_BATCHES_AND_VERTICES(1,3);
    CHECK_GL_ERROR_DEBUG();

}

内有利用shader使得sprite变灰的代码。

下面是变灰所用到的vsh和fsh文件。

attribute vec4 a_position;
attribute vec2 a_texCoord;
attribute vec4 a_color;
                    

varying vec4 v_fragmentColor;
varying vec2 v_texCoord;
                                
void main()    
{                            
    gl_Position = CC_PMatrix * a_position;
    v_fragmentColor = a_color;
    v_texCoord = a_texCoord;
}

varying vec4 v_fragmentColor;    
varying vec2 v_texCoord;    
uniform sampler2D CC_Texture0;    
        
void main()            
{
    vec4 v_orColor = v_fragmentColor * texture2D(CC_Texture0, v_texCoord);
    float gray = dot(v_orColor.rgb, vec3(0.299, 0.587, 0.114));
    gl_FragColor = vec4(gray, gray, gray, v_orColor.a);
}