OpenGL 着色器

一、‌着色器基础结构‌

1. ‌版本声明与入口函数‌

   • ‌首行版本声明‌：必须指定 GLSL 版本和模式（如 #version 450 core）‌。

     #version 450 core  // 声明使用 OpenGL 4.5 Core Profile

   • ‌入口函数‌：所有着色器的入口均为 main() 函数，负责处理输入变量并输出结果‌。

2. ‌输入/输出变量‌

   • ‌顶点属性输入‌：通过 layout(location=N) 指定顶点属性位置（如位置、法线、纹理坐标），通过 in 关键字声明‌。

     layout (location = 0) in vec3 aPos;  // 位置属性（location 对应 VBO 的布局）
     layout (location = 1) in vec2 aTexCoord; // 纹理坐标

   • ‌跨阶段传递‌：顶点着色器的 out 变量需与片段着色器的 in 变量名称、类型一致以实现数据传递‌。

     out vec2 TexCoord;  // 顶点着色器输出，片段着色器输入
     

3. ‌Uniform 全局变量‌

   • ‌作用‌：用于从 CPU 向 GPU 传递全局数据（如变换矩阵、光源参数）‌。
   • ‌特点‌：同一着色器程序中所有着色器共享相同的 uniform 值‌。

     uniform mat4 model;      // 模型矩阵
     uniform sampler2D tex;   // 纹理采样器

二、‌着色器类型与功能‌

1. ‌顶点着色器 (Vertex Shader)‌

   • ‌职责‌：处理顶点属性（位置、法线等），执行模型-视图-投影变换，输出裁剪空间坐标‌。
   • ‌限制‌：可用的顶点属性数量由硬件决定，需通过 GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS 查询上限‌。

2. ‌片段着色器 (Fragment Shader)‌

   • ‌职责‌：计算像素颜色，支持纹理采样、光照计算，输出最终颜色到帧缓冲区‌。
   • ‌优化场景‌：逐片元计算光照可避免逐顶点着色的视觉瑕疵（如马赫带效应）‌。

3. ‌其他着色器类型‌

   • ‌几何着色器‌：动态生成/修改图元拓扑结构（如将点扩展为四边形）‌。
   • ‌曲面细分着色器‌：控制曲面细分级别，生成高精度几何体‌。

三、‌核心语法与数据操作‌

1. ‌数据类型‌

   • ‌基础类型‌：float、int、bool、vec2、vec3、vec4、mat3、mat4 、sampler2D等‌。
   • ‌容器操作‌：向量支持分量重组（如 vec3 pos = myVec.xyz），矩阵为列优先存储‌。

     vec3 color = vec3(1.0, 0.0, 0.0);  // 红色
     mat4 view = mat4(1.0);             // 单位矩阵
     

   • 内置变量‌：
     顶点着色器必须赋值 gl_Position。gl_Position接收顶点经过模型-视图-投影（MVP）矩阵变换后的坐标值，其类型为vec4。

     gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); 

     裁剪空间坐标范围通常为[-1, 1]，超出此范围的顶点会被裁剪‌。

   • 片段着色器必须赋值 FragColor：

     out vec4 FragColor;  // 输出颜色到帧缓冲区
     

2. ‌控制流与函数‌

   • ‌分支/循环‌：支持 if-else、for、while 语句‌。
   • ‌自定义函数‌：类似 C 语言风格，支持参数传递和返回值‌。

     float calculateLight(vec3 normal, vec3 lightDir) {
         return max(dot(normal, lightDir), 0.0);
     }
     

3. ‌纹理采样‌

   • ‌函数调用‌：使用 texture(sampler2D, uv) 读取纹理，需确保 UV 坐标在 [0,1] 范围内‌。

四、‌完整示例：带光照的纹理着色器‌

顶点着色器（Vertex Shader）

#version 450 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord;

out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;
out vec2 TexCoord;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

void main() {
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));  // 世界空间坐标
    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal; // 法线矩阵修正
    TexCoord = aTexCoord;
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

 片段着色器（Fragment Shader）

#version 450 core
in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;
in vec2 TexCoord;

out vec4 FragColor;

uniform vec3 lightPos;      // 光源位置
uniform vec3 lightColor;    // 光源颜色
uniform sampler2D diffuseTex; // 漫反射贴图

void main() {
    // 采样纹理
    vec3 diffuse = texture(diffuseTex, TexCoord).rgb;
    
    // 计算光照
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 result = diff * lightColor * diffuse;
    
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

五、‌关键注意事项

1. ‌变量精度修饰符‌（可选但推荐）

   precision highp float;  // 指定浮点数精度（highp/mediump/lowp）
   

2. ‌矩阵乘法顺序‌
   GLSL 矩阵乘法是列优先，需注意与 CPU 端矩阵操作的顺序一致性：

   mat4 mvp = projection * view * model;  // 正确顺序
   

3. ‌纹理采样‌

   • 使用 texture(sampler, uv) 函数采样纹理
   • 纹理坐标需归一化到 [0,1] 范围

4. ‌错误排查‌
   通过 glGetShaderInfoLog 获取编译错误信息：

   // Qt 中的调试代码示例
   if (!shaderProgram.link()) {
       qDebug() << "Shader Error:" << shaderProgram.log();
   }
   

六、‌常见问题

1. ‌变量未传递‌：确保 uniform 变量在 CPU 端正确设置（如 setUniformValue("model", matrix)）。

2. ‌版本不匹配‌：GLSL 版本需与 OpenGL 上下文版本兼容（如 450 core 需 OpenGL 4.5+）。

3. ‌纹理绑定错误‌：检查纹理单元是否激活（glActiveTexture(GL_TEXTURE0)）。

4. 调试日志输出‌：通过 glGetShaderInfoLog 获取编译错误详情‌。