GLSL（OpenGL 着色器语言）基础语法
GLSL（OpenGL 着色器语言）基础语法
GLSL（OpenGL Shading Language）是 OpenGL 计算着色器的语言，语法类似于 C 语言，但提供了针对 GPU 的特殊功能，如向量运算和矩阵运算。
着色器的开头总是要声明版本，接着是输入和输出变量、uniform 和 main 函数。每个着色器的入口点都是main函数，在这个函数中我们处理所有的输入变量，并将结果输出到输出变量中。
#version version_number
in type in_variable_name;
out type out_variable_name;
uniform type uniform_name;void main()
{// 处理输入并进行一些图形操作...// 输出处理过的结果到输出变量out_variable_name = weird_stuff_we_processed;
}
基本语法
版本声明
每个 GLSL 着色器的第一行通常需要指定版本号：
#version 330 core // 330 core 表示使用 OpenGL 3.3 及以上的核心模式
#version 120 // OpenGL 2.1
#version 450 core（OpenGL 4.5 // OpenGL 4.5
变量声明
类型 变量名;
常见的基本数据类型
| 类型 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| int | 整数 | int a = 5; |
| float | 浮点数 | float b = 3.14; |
| bool | 布尔类型 | bool flag = true; |
| vec2 | 2D向量 (x, y) | vec2 v = vec2(1.0, 2.0); |
| vec3 | 3D向量 (x, y, z) | vec3 color = vec3(1.0, 0.5, 0.2); |
| vec4 | 4D向量 (x, y, z, w) | vec4 position = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 1.0); |
| mat4 | 4×4 矩阵 | mat4 transform; |
纹理类型（Texture Types）
纹理类型用于表示不同的纹理对象，它们在图形渲染中用于存储图片或纹理数据
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| sampler2D | 2D纹理采样器，通常用于访问2D纹理图像 |
| sampler3D | 3D纹理采样器，用于访问3D纹理 |
| samplerCube | 立方体纹理采样器，用于访问立方体贴图（环境映射） |
| sampler2DArray | 2D纹理数组采样器，访问多个2D纹理层 |
| sampler2DShadow | 用于阴影映射的2D纹理采样器 |
| samplerCubeShadow | 用于阴影映射的立方体纹理采样器 |
纹理采样示例
#version 330 corein vec2 TexCoords; // 传入的纹理坐标
out vec4 FragColor;// 输出的颜色uniform sampler2D texture1; // 纹理变量，代表 GPU 采样的 2D 贴图void main()
{FragColor = texture(texture1, TexCoords); // 从纹理中获取颜色，并输出
}
uniform关键字：定义了一个全局变量（后面介绍）。
聚合类型（Aggregate Types）
这些类型可以用来组合多个基本类型，提供更复杂的数据结构。
（1）数组类型（Array types）：
float arr[10]; // 一个包含 10 个 float 的数组。
vec3 arr[5]; // 一个包含 5 个 vec3 向量的数组。
（2）结构体类型（Structure types）：
sstruct Light {vec3 position;vec3 color;float intensity;
};
内置变量类型（Built-in Variables）
OpenGL着色器程序中预定义的变量，用于接收从应用程序传递的状态或传递给其他着色器阶段的值。
（1）顶点着色器中常见的内建变量
| 变量 | 说明 |
|---|---|
| gl_Position | 指定当前顶点的屏幕空间位置。它是 vec4 类型，必须在顶点着色器中设置 |
| gl_PointSize | 指定绘制点的大小（只有在 GL_POINTS 绘制模式时有效） |
| gl_VertexID | 当前顶点的索引 |
（2）片元着色器中常见的内建变量
| 变量 | 说明 |
|---|---|
| gl_FragColor | 最终输出的颜色。片元着色器必须设置它来确定每个像素的颜色 |
| gl_FragDepth | 指定片元的深度值 |
（3）全局变量
| 变量 | 说明 |
|---|---|
| gl_FragCoord | 片元着色器中的当前片元坐标 |
| gl_TexCoord | 纹理坐标，用于在片元着色器中进行纹理采样 |
向量操作
GLSL 提供了一些专门用于向量操作的语法
vec3 v1 = vec3(1.0, 2.0, 3.0);
vec3 v2 = vec3(0.5, 0.5, 0.5);vec3 sum = v1 + v2; // 向量加法
vec3 diff = v1 - v2; // 向量减法
vec3 scale = v1 * 2.0; // 向量数乘
float dotProduct = dot(v1, v2); // 点积
vec3 crossProduct = cross(v1, v2); // 叉积
向量分量访问
vec4 color = vec4(1.0, 0.5, 0.2, 1.0);
float red = color.r; // red = 1.0
float green = color.g; // green = 0.5
float blue = color.b; // blue = 0.2
float alpha = color.a; // alpha = 1.0
xyzw 和 rgba 可以混用
vec3 rgb = color.rgb; // 取前三个分量
vec2 xy = color.xy; // 取前两个分量
矩阵运算
mat4 transform = mat4(1.0); // 4×4 单位矩阵
vec4 position = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 1.0);
vec4 result = transform * position; // 矩阵-向量乘法
GLSL 变量限定符
GLSL 提供了不同的变量限定符，决定变量的作用范围和生命周期
(1)变量存储限定符（Storage Qualifiers）
| 限定符 | 作用 | 适用着色器 |
|---|---|---|
| in | 输入变量，从上一阶段着色器传入的数据 | 顶点、片元着色器 |
| out | 输出变量，传递给下一阶段着色器 | 顶点、片元着色器 |
| inout | 既可作为输入，也可作为输出 | |
| uniform | 全局变量，供 CPU 传入着色器，所有着色器阶段共享 | 顶点、片元着色器 |
| attribute | 旧版 GLSL（< 3.3），用于顶点着色器的输入变量，已被 in 取代 | 顶点着色器 |
| varying | 旧版 GLSL（< 3.3），用于顶点着色器和片元着色器之间传递数据，已被 in 和 out 取代 | 顶点、片元着色器 |
| const | 常量，在编译时确定，不能修改 | |
| buffer | 访问 Shader Storage Buffer Object（SSBO），用于计算着色器 |
uniform
首先，uniform是全局的(Global)。全局意味着uniform变量必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。第二，无论你把uniform值设置成什么，uniform会一直保存它们的数据，直到它们被重置或更新。
代码示范
（1）在着色器中使用 uniform 关键字，并带上类型和名称。
#version 330 core
out vec4 FragColor;
uniform vec4 ourColor;void main() {FragColor = ourColor;
}
（2）在OpenGL程序代码中设置这个变量
float timeValue = glfwGetTime();
float greenValue = (sin(timeValue) / 2.0f) + 0.5f;// 利用时间动态计算颜色或效果
int vertexColorLocation = glGetUniformLocation(shaderProgram, "ourColor");// 查询uniform ourColor的位置值
glUseProgram(shaderProgram);// 激活指定的着色器程序
glUniform4f(vertexColorLocation, 0.0f, greenValue, 0.0f, 1.0f);// 设置uniform值
QT代码示范
Qt 封装了glGetUniformLocation()，提供了uniformLocation()。
// 获取 uniform 变量的位置
int location = shaderProgram.uniformLocation("ourColor");
if (location != -1) {shaderProgram.setUniformValue(location, QVector4D(0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f));// 设置uniform值
}
或者，在QOpenGLShaderProgram中，甚至不需要手动获取Location，可以直接使用setUniformValue()，它会自动查找uniformLocation()并设置值😃：
shaderProgram.setUniformValue("ourColor", QVector4D(0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f));
总结
uniform变量用于在 程序（CPU）和 着色器（GPU）之间传递数据。uniform变量的值在渲染迭代中保持不变，直到显式地更新。可以用于传递光照、变换、时间等不随顶点或片段变化的参数。
“渲染迭代”是指每次绘制调用，每次调用glDrawArrays或 glDrawElements等函数时，都会渲染一批图形。在一次渲染调用中，uniform变量的值是固定的，直到显式地改变它。
(2)变量布局限定符（Layout Qualifiers）
| 关键字 | 作用 |
|---|---|
| layout(location = N) | 指定变量的绑定位置（常用于 in/out 变量） |
| layout(binding = N) | 指定 uniform buffer、采样器的绑定点 |
| layout(origin_upper_left) | 设定坐标原点在左上角（用于片元着色器） |
| layout(pixel_center_integer) | 指定像素中心对齐规则 |
(3)变量精度限定符（Precision Qualifiers）
| 关键字 | 作用 |
|---|---|
| highp | 高精度（32 位浮点数） |
| mediump | 中精度（16 位浮点数） |
| lowp | 低精度（10 位或 8 位浮点数） |
在 OpenGL ES（移动端）上，必须显式声明精度，但桌面版 GLSL 默认 highp。
(4)插值限定符（Interpolation Qualifiers）
| 关键字 | 作用 |
|---|---|
| smooth | 默认插值方式（透视校正插值） |
| flat | 禁用插值，所有片元使用同一顶点的值 |
| noperspective | 线性插值（无透视校正） |
(5)片元着色器输出限定符（Fragment Shader Output Qualifiers）
| 关键字 | 作用 |
|---|---|
| discard | 丢弃当前片元，不进行颜色写入 |
| depth_any | 允许片元写入任何深度值 |
| depth_greater | 片元只能写入更大的深度值 |
| depth_less | 片元只能写入更小的深度值 |
渲染管线的基本流程
OpenGL 渲染管线是一个从顶点数据到最终像素颜色输出的流水线处理过程，主要分为以下几个阶段：
（1）应用阶段（CPU端）
1️⃣ 准备数据（VAO、VBO、EBO、Shader、Texture）
2️⃣设置状态（glEnable(GL_DEPTH_TEST) 等）
3️⃣执行绘制（glDrawArrays() / glDrawElements()）
👉GPU 端（渲染管线）
（2）顶点着色器（Vertex Shader）
运行在 GPU 上，对每个顶点执行一次。
关键任务
处理顶点数据（如顶点坐标、颜色、法线、纹理坐标） 。
计算 顶点的最终位置（gl_Position）,将物体坐标系转换为相机坐标系（裁剪空间），渲染相机范围内的物体。
计算并输出其他顶点属性：颜色、纹理坐标等数据，以传递给下一阶段。
输入：
（1）顶点数据：顶点的位置、法线、颜色、纹理坐标等，这些数据通常保存在顶点缓冲对象（VBO）中。
（2）顶点着色器的输入变量：包括位置、法线、颜色等，通过layout关键字来指定。
处理：
（1）顶点坐标变换：
使用 模型矩阵（Model Matrix）：将顶点从模型空间转换到世界空间。
使用 视图矩阵（View Matrix）：将顶点从世界空间转换到相机空间，通常相当于相机的视图矩阵。
使用投影矩阵（Projection Matrix）：将顶点从相机空间转换到裁剪空间，通常有两种类型的投影：
1）正交投影（Orthographic projection）
2）透视投影（Perspective projection）
| 特性 | 正交投影（Orthographic Projection） | 透视投影Perspective Projection） |
|---|---|---|
| 投影线 | 平行 | 收敛（有消失点） |
| 物体大小 | 不受视距影响，距离远近无关 | 物体距离远，投影变小；距离近，投影变大 |
| 深度感 | 无深度感，所有物体看起来是平的 | 有深度感，远近物体具有明显的大小差异 |
| 常见应用 | 2D 游戏、CAD、技术图纸 | 3D 游戏、虚拟现实、电影动画 |
| 适用场景 | 精确的比例和尺寸绘制（如建筑图纸、设计图纸） | 创建真实的场景深度感，模拟人眼视角 |
| 投影效果 | 所有物体大小一致，不会变形 | 物体随着距离远近而缩小或放大，产生透视效果 |
（2）法线变换：
法线需要从模型空间变换到世界空间或视图空间，通常要用到模型矩阵的逆转置矩阵来正确处理缩放等非线性变换，以防止模型缩放影响法线的方向。
（3）顶点属性计算：
顶点着色器可以根据顶点的其他属性（如法线、颜色、纹理坐标）来计算光照、颜色等值，传递给片段着色器。
输出：
（1）gl_Position：这是裁剪空间中的顶点位置，是后续阶段（如光栅化）裁剪的基础。
（2）gl_PointSize：在绘制点时，控制点的大小。
（3）gl_ClipDistance：用于顶点裁剪的距离参数。
（4）其他顶点属性（如颜色、法线、纹理坐标等）可以输出到后续的片段着色器。
代码示例
#version 330 corelayout (location = 0) in vec3 aPos; // 传入顶点位置（绑定顶点位置到 location = 0）
layout (location = 1) in vec3 aColor; // 传入顶点颜色
layout (location = 2) in vec3 inNormal; // 顶点法线out vec3 vColor; // 传递给片元着色器的颜色
out vec3 fragNormal; // 法线，传递给片段着色器uniform mat4 model; // 模型矩阵
uniform mat4 view; // 视图矩阵
uniform mat4 projection; // 投影矩阵void main()
{// 将法线从模型空间变换到世界空间fragNormal = mat3(transpose(inverse(model))) * inNormal;gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); // 计算最终的顶点位置，并赋值给 gl_PositionvColor = aColor; // 颜色传递给片元着色器
}
layout(location = n) 解释
layout(location = n) 用来指定顶点属性的绑定位置 n。这个 n 位置是在OpenGL中通过glVertexAttribPointer或glVertexAttribPointer函数指定的。
（1）为了明确匹配顶点数据和着色器变量
顶点着色器需要使用 特定位置的属性 来获得顶点数据，例如顶点位置、颜色或纹理坐标。通过 layout(location = n)，可以明确告诉 OpenGL 每个顶点属性的输入顺序和位置索引。避免因顺序错误或不一致导致数据混乱的问题。
（2） 对于多属性的支持
当你顶点数据包含多个属性时，如：位置、颜色、法线、纹理坐标等，需要为每个属性指定一个独立的 location，确保 OpenGL 正确地将数据传递给着色器。
在QT中写法如下：
👉 顶点数据的位置索引（n）必须和着色器中声明的 layout(location = n) 对应。
gl_Position的解释
gl_Position是OpenGL中一个非常特殊的内部变量，其类型是 vec4（四维向量），包含了顶点在三维空间中的位置以及齐次坐标的 w 分量。
vec4 gl_Position = vec4(x, y, z, w);
gl_Position定义了 顶点在裁剪空间中的位置，位于投影变换后的空间。
gl_Position作用： 当顶点着色器的输出 gl_Position 被送入裁剪阶段和光栅化阶段后，OpenGL 会进行裁剪和透视除法：
- 裁剪：将视野外的顶点丢弃，只保留视野内的顶点。
- 透视除法：通过除以 gl_Position.w 来将顶点从裁剪空间转换为屏幕空间，得到最终的窗口坐标。
注：裁剪阶段和光栅化阶段是OpenGL渲染管线中的固定阶段，由OpenGL内部自动处理。
在上面的示例中，aPos 是传入的顶点坐标。我们将模型矩阵、视图矩阵和投影矩阵与 aPos 相乘，最终得到顶点的位置，并赋值给 gl_Position。
（3）图元装配
将顶点组合成 点（Point）、线（Line）、三角形（Triangle）。
（4）细分着色器（Tessellation Shader，可选）
用于将少量控制点细分成更多的几何数据，以生成更精细的模型（如地形细节）。
细分控制着色器（Tessellation Control Shader, TCS）
细分评估着色器（Tessellation Evaluation Shader, TES）
细分曲面，提高模型精度
（5）几何着色器（Geometry Shader，可选）
运行在 GPU 上，以整个图元（如点、线段、三角形）为单位进行处理，而不是单独处理每个顶点。
关键任务
修改或生成新的顶点（如扩展为线段或面）。
可以输出多个顶点来生成新的几何形状。
继续传递颜色、纹理坐标等数据。
代码示例
#version 330 core
layout(triangles) in; // 输入图元类型（三角形）
layout(triangle_strip, max_vertices = 3) out; // 输出图元类型（三角形条带）in vec3 vColor[]; // 从顶点着色器接收颜色数据
out vec3 fColor; // 传递给片元着色器void main()
{for (int i = 0; i < 3; i++) // 处理每个输入顶点{gl_Position = gl_in[i].gl_Position; // 继承输入顶点的位置信息fColor = vColor[i]; // 继承颜色信息EmitVertex(); // 输出该顶点}EndPrimitive(); // 结束当前图元
}
（6）光栅化（Rasterization）
将顶点数据转换为像素点（片元），并决定哪些像素应该被绘制填充。以顶点为边界，中间做插值运算，填充像素点。
（7）片元着色器（Fragment Shader）
运行在 GPU 上，对每个片元（像素）执行一次。
关键任务
纹理采样：从纹理的像素 赋值给上一阶段产生的像素点上；
计算最终颜色（纹理、光照、阴影、颜色混合计算）；
输出颜色给帧缓冲
【注】假若，顶点着色器4个，到了光栅化，插值后为100 100，那么到了片段着色器，则会进行100 * 100次运算。所以，在这个阶段的运算量是指数级增长。故能在顶点着色器运算的，就不要放到片段着色器中运算，大大影响效率。
代码示例
#version 330 core
in vec3 vColor; // 从顶点着色器传入的颜色
//in vec3 fColor; // 从几何着色器接收颜色
out vec4 FragColor; // 输出最终颜色void main()
{FragColor = vec4(vColor, 1.0); // 计算最终颜色// FragColor = vec4(fColor, 1.0); // 计算最终颜色
}
注意：顶点着色器输出的变量和片元着色器输入的变量的名称必须一致！
顶点着色器的输出变量（out 变量）会作为输入传递给片元着色器（in 变量）。OpenGL会自动匹配具有相同名称的变量，从而使得顶点着色器的输出可以作为片元着色器的输入。
在OpenGL渲染管线中，着色器阶段之间的数据传递是通过 变量名称、类型和顺序 来确保一致性的。通常，顶点着色器的输出（out 变量）会作为下游阶段（如片元着色器或几何着色器）的输入（in 变量）。确保变量名称、类型和顺序一致是实现数据正确传递的关键。
（8）测试与混合
深度测试（Depth Test） → 确保正确的遮挡关系。
模板测试（Stencil Test） → 实现裁剪效果。
混合（Blending） → 处理透明度，如 glEnable(GL_BLEND)。
（9）Framebuffer帧缓冲
最终颜色数据被写入帧缓冲区（Framebuffer），并显示到屏幕上。帧缓冲有个地址，是在内存里。我们通过不停的向Framebuffer中写入数据， 显示控制器就自动的从Framebuffer中取数据并显示出来。
多个着色器都可以输出颜色？
顶点着色器：负责处理每个顶点的颜色，并传递给几何着色器或片元着色器。
几何着色器：（如果存在） 可以修改顶点的颜色并重新输出给片元着色器。
片元着色器： 计算最终的像素颜色，并写入帧缓冲区。
总结
✅GLSL语法类似C语言，但更适合GPU并行计算。
✅顶点着色器主要进行坐标变换。
✅片元着色器主要计算像素颜色。
✅变量修饰符 in、out、uniform 控制数据流。
✅向量、矩阵 计算是GLSL 的核心，优化GPU性能。