基于Cocos2d-x学习OpenGL ES 2.0系列——编写自己的shader（2）

在上篇文章中，我给大家介绍了如何在Cocos2d-x里面绘制一个三角形，当时我们使用的是Cocos2d-x引擎自带的shader和一些辅助函数。在本文中，我将演示一下如何编写自己的shader，同时，我们还会介绍VBO（顶点缓冲区对象）和VAO（顶点数组对象）的基本用法。

在编写自己的shader之前，我觉得有必要提一下OpenGL渲染管线。

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）

8. 

更详细的信息可以参考本网站推荐的阅读材料和Wiki。

编写你的第一个Vertex Shader

首先是创建一个文件，把它命名为myVertextShader.vert, 并输入下列代码：

attribute vec2 a_position;
attribute vec4 a_color;
 
varying vec4 v_fragmentColor;
 
void main()
{
    gl_Position = CC_MVPMatrix * a_position;
    v_fragmentColor = a_color;
}

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。下面我们来简单解释一下这一小段代码。

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。然后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。这一点，我们后面再谈。

vertex shader是作用于每一个顶点的，我们本例中有三个点，所以这个vertex shader会被执行三次。

编写你的第一个Fragment Shader

首先，新建一个myFragmentShader.frag并输入下列代码：

varying vec4 v_fragmentColor;
 
void main()
{
    gl_FragColor = v_fragmentColor;
}

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v_fragmentColor。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。我们回过头去看上一篇文章中画出来的三角形，我们指定的是三个顶点的颜色，分别为Red,Green和Blue，但是最后的三角形的颜色是通过这三个点的颜色插值出来的。因为最终三角形的像素点可不只有三个，理解这一点非常重要。

最后，让我们修改一下shader progam的创建代码：(创建着色器)

//create my own program
auto program = new GLProgram;
program->initWithFilenames("myVertextShader.vert", "myFragmentShader.frag");
program->link();
//set uniform locations
program->updateUniforms();

编译并运行，此时你会得到和之前效果一样的三角形。

下图解释了我们的顶点数据是如何渲染成最终屏幕上面的像素的：

VAO和VBO初探

VBO，全名Vertex Buffer Object。它是GPU里面的一块缓冲区，当我们需要传递数据的时候，可以先向GPU申请一块内存，然后往里面填充数据。最后，再通过调用glVertexAttribPointer把数据传递给Vertex Shader。而VAO，全名为Vertex Array Object，它的作用主要是记录当前有哪些VBO，每个VBO里面绑定的是什么数据，还有每一个vertex attribute绑定的是哪一个VBO。

使用VBO和VAO的步骤都差不多，步骤如下：

1. glGenXXX

2. glBindXXX

让我们修改之前的代码：

auto size = Director::getInstance()->getVisibleSize();
float vertercies[] = { 　　
    0,0,   //第一个点的坐标　　
    size.width, 0,   //第二个点的坐标　　　　
    size.width / 2, size.height
};  //第三个点的坐标     
float color[] = { 　　
    0,1,0,1,  　　
    1,0,0,1, 　　
    0,0,1,1
};

//创建和绑定vao
glGenVertexArrays(1, &vao);
glBindVertexArray(vao);

//创建和绑定vbo
glGenBuffers(1, &vertexVBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexVBO);  
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertercies), vertercies, GL_STATIC_DRAW);
//获取vertex attribute "a_position"的入口点
GLuint positionLocation = glGetAttribLocation(program->getProgram(), "a_position");
//打开入a_position入口点
glEnableVertexAttribArray(positionLocation);
//传递顶点数据给a_position，注意最后一个参数是数组的偏移了。
glVertexAttribPointer(positionLocation, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (GLvoid*)0);
     
//set for color
glGenBuffers(1, &colorVBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorVBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(color), color, GL_STATIC_DRAW);
GLuint colorLocation = glGetAttribLocation(program->getProgram(), "a_color");
glEnableVertexAttribArray(colorLocation);
glVertexAttribPointer(colorLocation, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (GLvoid*)0);
  
//for safty
glBindVertexArray(0);        // 取消vao绑定
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);        // 取消vbo绑定

这里glBufferData把我们定义好的顶点和颜色数据传给VBO，此时，注意glVertexAttribPointer的最后一个参数，这里传递的都是(GLvoid*)0。而不像之前一样传的是vertex和color的数组地址。这一点是使用VBO和不使用VBO时要特别注意的。

顶点数据是怎么传递的

要弄明白程序里面定义的数组是怎么传递到vertex shader的，我们需要先弄清楚vertex attribute。

attribute vec2 a_position;
attribute vec4 a_color;
  
varying vec4 v_fragmentColor;
  
void main()
{
    gl_Position = CC_MVPMatrix * a_position;
    v_fragmentColor = a_color;
}

每一个attribute在vertex shader里面有一个location，它是用来传递数据的入口。我们可以通过下列代码获取这个入口值:

GLuint positionLocation = glGetAttribLocation(program->getProgram(), "a_position");
glEnableVertexAttribArray(positionLocation);

glGetAttribLocation是用来获得vertex attribute的入口的，在我们要传递数据之前，首先要告诉OpenGL，所以要调用glEnableVertexAttribArray。最后的数据通过glVertexAttribPointer传进来。它的第一个参数就是glGetAttribLocation返回的值。

重用VAO

最后，为了不让这些生成和绑定VBO和VAO的操作在每一帧都被执行，我们需要把它放在初始化函数里面。最终我们的draw函数如下：

调用着色器

auto glProgram = getGLProgram();
glProgram->use();
     
//set uniform values, the order of the line is very important
glProgram->setUniformsForBuiltins();
     
auto size = Director::getInstance()->getWinSize();
     
//use vao，因为vao记录了每一个顶点属性和缓冲区的状态，所以只需要绑定就可以使用了
glBindVertexArray(vao);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
glBindVertexArray(0);
     
CC_INCREMENT_GL_DRAWN_BATCHES_AND_VERTICES(1, 3);

这里可以看出，VAO对于简化程序作用是很大的。

好了，编译并运行，还是原来的三角形。

本文源代码下载。

下一篇文章，我们将讲一下OpenGL各种坐标系及其变换。当然，最重要的是World-to-Model变换，Model-to-View变换和View-to-Projection变换。

参考资料

http://duriansoftware.com/joe/An-intro-to-modern-OpenGL.-Chapter-1:-The-Graphics-Pipeline.html

http://opengl.zilongshanren.com/opengl-tutorial/tut02/zh.html

http://www.opengl.org/wiki/Rendering_Pipeline_Overview