我们来详细了解一下 GLSL (OpenGL Shading Language)。
GLSL 是一种高级的、C语言风格的着色语言，专门用于在图形处理器（GPU）上执行，以控制 OpenGL 图形管线的可编程阶段。它由 Khronos Group（OpenGL、Vulkan 等标准的制定者）维护。
想象一下，传统的固定功能管线（Fixed-Function Pipeline）就像一条固定的工厂流水线，每个步骤都预设好了。而可编程管线（Programmable Pipeline）则允许你自定义这条流水线的某些关键环节，而 GLSL 就是你用来编写这些自定义环节“程序”的语言。
🎯 GLSL 的核心目的和作用
GPU 编程：允许开发者直接编写在 GPU 上运行的代码，充分利用 GPU 强大的并行处理能力。图形效果定制：实现复杂的视觉效果，如自定义光照模型、阴影、纹理混合、粒子系统、后期处理等，这些是固定功能管线难以或无法实现的。性能优化：将计算密集型任务（如图形变换、光照计算）从 CPU 转移到 GPU，提高渲染效率。跨平台和硬件无关性：虽然与 OpenGL 紧密相关，但 GLSL 本身提供了一层抽象，使得着色器代码在不同厂商的 GPU 上具有一定的可移植性（只要它们支持相应的 OpenGL 版本）。
✨ GLSL 的主要特点
C 语言风格语法：对于熟悉 C/C++ 的开发者来说，上手相对容易。它包含了类似的控制流语句（if/else, for, while）、函数定义、变量声明等。强类型语言：所有变量在使用前必须声明其类型。面向向量和矩阵运算：内置了丰富的向量（如 vec2, vec3, vec4）和矩阵（如 mat2, mat3, mat4）类型以及相关的数学函数（点乘、叉乘、矩阵乘法等），非常适合图形计算。并行处理设计：着色器通常会对大量顶点或片段并行执行相同的代码，GLSL 的设计考虑了这种并行性。模块化：不同的着色器阶段（如顶点着色器、片段着色器）是独立的程序，它们通过特定接口（输入/输出变量）进行数据传递。无状态：单个着色器实例通常不保存跨多次调用的状态（例如，一个片段着色器处理一个像素时，它通常不知道其他像素或它自己上一次运行的状态）。状态主要通过纹理、uniform 变量等外部传入。
🛠️ GLSL 在图形管线中的位置
现代 OpenGL 图形管线主要包含以下可编程阶段，每个阶段都可以用 GLSL 编写对应的着色器：
顶点着色器 (Vertex Shader)：
输入：每个顶点的属性数据（如位置、颜色、法线、纹理坐标）。处理：对每个顶点进行变换（模型视图投影变换）、计算光照相关的顶点颜色或法线等。输出：变换后的顶点位置（必须输出 gl_Position）以及其他需要传递给后续阶段的数据（如纹理坐标、颜色）。执行：为每个顶点执行一次。
曲面细分控制着色器 (Tessellation Control Shader, TCS) (可选)：
输入：来自顶点着色器的一组顶点（构成一个“面片” patch）。处理：决定如何细分这个面片，设置细分级别。输出：细分级别和面片控制点，传递给曲面细分评估着色器。执行：为每个面片执行一次。
曲面细分评估着色器 (Tessellation Evaluation Shader, TES) (可选)：
输入：TCS 输出的细分级别和面片控制点，以及新生成的细分坐标。处理：根据细分坐标和控制点，计算新生成顶点的位置和其他属性。输出：新生成的顶点，其行为类似于顶点着色器的输出。执行：为每个新生成的细分顶点执行一次。
几何着色器 (Geometry Shader) (可选)：
输入：一个或多个图元（点、线、三角形）的顶点数据，这些数据来自顶点着色器或曲面细分评估着色器。处理：可以创建新的图元，或修改/丢弃输入的图元。例如，可以将一个点扩展为一个四边形（用于粒子系统），或者生成法线。输出：零个或多个图元。执行：为每个输入的图元执行一次。
片段着色器 (Fragment Shader / Pixel Shader)：
输入：经过光栅化后生成的片段（可以看作是屏幕上像素的“候选者”），以及从顶点着色器（或几何着色器）插值过来的数据（如颜色、纹理坐标）。处理：计算每个片段的最终颜色和深度值。可以进行纹理采样、光照计算、雾化等。输出：片段的颜色（通常写入 gl_FragColor 或用户定义的输出变量）和可选的深度值。片段也可以被丢弃（discard 关键字）。执行：为每个片段执行一次。
计算着色器 (Compute Shader) (独立于图形管线)：
用途：执行通用的并行计算（GPGPU - General-Purpose computing on GPUs）。处理：可以读写任意的缓存数据（如图像、缓冲区对象），不直接参与传统图形渲染流程的顶点/片段处理。执行：根据定义的计算工作组并行执行。
📝 GLSL 基本语法和结构
一个典型的 GLSL 着色器文件包含：
版本声明 (Version Directive)：
#version 330 core // 指定 GLSL 版本为 3.30，使用核心配置文件 (core profile)
这必须是着色器代码的第一行（注释除外）。
输入 (Inputs)：
顶点着色器：使用 in 关键字声明顶点属性。// 顶点着色器
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos; // 顶点位置 (属性位置 0)
layout (location = 1) in vec2 aTexCoord; // 纹理坐标 (属性位置 1)
其他着色器：使用 in 关键字接收来自上一阶段的输出。
输出 (Outputs)：
使用 out 关键字声明要传递给下一阶段或帧缓冲的数据。// 顶点着色器
out vec2 TexCoord; // 传递给片段着色器的纹理坐标
// 片段着色器
out vec4 FragColor; // 输出到帧缓冲的颜色
Uniform 变量 (Uniforms)：
由 CPU 端应用程序设置的全局常量，对于一批顶点或片段（一次绘制调用）保持不变。用于传递变换矩阵、光照参数、纹理采样器等。
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
uniform sampler2D texture1; // 纹理采样器
主函数 main()：
每个着色器的执行入口点。
void main()
{
// 着色器逻辑代码
// ...
}
🔢 GLSL 数据类型
GLSL 提供了丰富的数据类型：
标量 (Scalars)： float, int, uint, bool, double (需要特定版本和扩展)向量 (Vectors)：
vec2, vec3, vec4 (浮点向量)ivec2, ivec3, ivec4 (整数向量)uvec2, uvec3, uvec4 (无符号整数向量)bvec2, bvec3, bvec4 (布尔向量)dvec2, dvec3, dvec4 (双精度浮点向量)
矩阵 (Matrices)：
mat2 (2x2), mat3 (3x3), mat4 (4x4) (列主序浮点矩阵)mat2x3, mat3x2 等非方阵dmatN (双精度矩阵)
采样器 (Samplers)：用于访问纹理。
sampler1D, sampler2D, sampler3DsamplerCube (立方体贴图)sampler2DArray, samplerCubeArray以及对应的 isampler*, usampler* (用于整数纹理) 和 sampler*Shadow (用于深度比较)
结构体 (Structs)：类似于 C 语言的结构体，用于组织数据。struct Light {
vec3 position;
vec3 color;
float intensity;
};
uniform Light myLight;
数组 (Arrays)：可以声明标量、向量、矩阵、结构体的数组。
📌 内置变量和函数
GLSL 提供了许多有用的内置变量和函数：
内置变量 (示例)：
顶点着色器：
in int gl_VertexID;：当前顶点的索引。in int gl_InstanceID;：当前实例的索引（用于实例化渲染）。out vec4 gl_Position;：必须写入，顶点的裁剪空间坐标。out float gl_PointSize;：点的大小（如果渲染点图元）。
片段着色器：
in vec4 gl_FragCoord;：片段在窗口坐标系中的坐标 (x, y, z, 1/w)。in bool gl_FrontFacing;：片段是否属于图元的正面。out vec4 gl_FragColor;：(旧版，但很多教程仍使用) 片段的输出颜色。现代 GLSL 更推荐用户自定义 out 变量。out float gl_FragDepth;：(可选) 片段的深度值。discard;：一个关键字，用于丢弃当前片段，不写入帧缓冲。
内置函数 (示例)：
数学函数：sin, cos, tan, asin, acos, atan, pow, exp, log, sqrt, abs, sign, floor, ceil, fract, mod, min, max, clamp, mix (线性插值), step, smoothstep。向量和矩阵函数：length, distance, dot (点乘), cross (叉乘), normalize, reflect, refract, matrixCompMult (分量乘), transpose, inverse, determinant。纹理采样函数：texture() (核心配置文件), texture2D() (兼容配置文件, 旧版), textureProj(), textureLod() 等。vec4 texColor = texture(texture1, TexCoord);
🔄 GLSL 着色器的编译和链接
编写：开发者编写 GLSL 源代码文件（通常 .vert 表示顶点着色器，.frag 表示片段着色器等）。加载：应用程序（如 C++ 程序使用 OpenGL API）读取这些源文件内容到字符串中。创建着色器对象：调用 glCreateShader() 创建一个着色器对象。指定源码：调用 glShaderSource() 将 GLSL 源码关联到着色器对象。编译：调用 glCompileShader() 编译着色器。GPU 驱动会将 GLSL 代码编译成 GPU 可执行的指令。检查编译状态：通过 glGetShaderiv() 和 glGetShaderInfoLog() 检查编译是否成功，并获取错误信息。创建程序对象：调用 glCreateProgram() 创建一个着色器程序对象。附加着色器：调用 glAttachShader() 将编译好的顶点、片段等 着色器对象附加到程序对象。链接程序：调用 glLinkProgram() 将所有附加的着色器链接成一个完整的着色器程序。链接过程会解析不同着色器阶段之间的输入输出匹配。检查链接状态：通过 glGetProgramiv() 和 glGetProgramInfoLog() 检查链接是否成功。使用程序：调用 glUseProgram() 激活该着色器程序，后续的渲染操作将使用这个程序。设置 Uniforms：在 glUseProgram() 之后，通过 glGetUniformLocation() 获取 uniform 变量的位置，然后使用 glUniform*() 系列函数设置其值。清理：一旦着色器被链接到程序中，可以调用 glDetachShader() 和 glDeleteShader() 删除单个着色器对象以释放资源。程序对象也应在不再需要时通过 glDeleteProgram() 删除。
📜 GLSL 版本
GLSL 的版本通常与 OpenGL 的版本相对应。例如：
GLSL 1.20 对应 OpenGL 2.1GLSL 1.50 对应 OpenGL 3.2GLSL 3.30 对应 OpenGL 3.3GLSL 4.50 对应 OpenGL 4.5
版本号 #version 指令很重要，因为它决定了哪些特性可用，以及某些语法的行为。core (核心配置文件) 和 compatibility (兼容配置文件) 也是版本声明的一部分，核心配置文件移除了许多旧的、已弃用的 OpenGL 功能，鼓励更现代的编程实践。
🆚 GLSL 与 SPIR-V (用于 Vulkan)
虽然 GLSL 最初是为 OpenGL 设计的，但它也可以被编译成一种中间二进制表示 SPIR-V (Standard Portable Intermediate Representation)。Vulkan API 不直接接受 GLSL 源码，而是要求着色器以 SPIR-V 格式提供。工具如 glslangValidator (Khronos 官方提供) 可以将 GLSL 编译为 SPIR-V。
💡 简单示例
顶点着色器 (simple.vert)
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos; // 顶点位置属性
layout (location = 1) in vec3 aColor; // 顶点颜色属性
out vec3 ourColor; // 输出颜色到片段着色器
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
void main()
{
gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
ourColor = aColor; // 直接传递颜色
}
片段着色器 (simple.frag)
#version 330 core
out vec4 FragColor; // 输出的片段颜色
in vec3 ourColor; // 从顶点着色器接收的颜色 (经过插值)
void main()
{
FragColor = vec4(ourColor, 1.0); // 使用插值后的颜色
}
这个简单的例子展示了顶点数据的传递、模型-视图-投影变换，以及颜色数据从顶点着色器传递到片段着色器并最终输出。
总而言之，GLSL 是现代实时图形渲染的基石，它赋予了开发者前所未有的能力去控制 GPU 的渲染过程，创造出丰富多彩的视觉世界。学习 GLSL 是深入理解和实践计算机图形学的重要一步。