Shader曆程——資料傳遞

“前文再續，書接上一回”。。。。大鬧西遊看多了^_^
作為一個圖形應用程式的一部分，shader定義了這個程式的圖形渲染指令。但要讓系統按照我們的設計去渲染圖形，我們還需要把必要的資料傳遞給shader。shader是由gpu來負責執行的，那麼資料如何能按照我們的要求傳入shader，由gpu來擷取呢？
首先我們來粗略地瞭解一下shader中的資料類型吧。因為處理器不一樣，shader也有一些自己特有的資料類型。
純量資料型別有float, int, bool；
向量資料類型有vec2, vec3, vec4，即2、3、4維向量，其中的分量可以是三種純量資料型別中的任何一種），然後是矩陣，同樣也有2、3、4維；
採樣器資料類型有6種：sampler1D，sampler2D，sampler3D，samplerCube，sampler1DShadow和sampler2DShadow。它們的功能是用於紋理採樣；
此外，還有跟c/c++一樣的“結構體”，“數組”等。
shader中的資料可以分為如何三類：
1. Attribute類型。這一類資料是shader中變化頻率最快的，它由應用程式傳遞到vertex shader，為每一頂點指定，一般是描述頂點的屬性，如座標、顏色、法線等。在opengl中，glVertex, glNormal等指令都會把這類資料傳遞給vertex shader。
2. Uniform類型。這一資料的變化頻率相對比較低，一般來說全域的渲染屬性就屬於這一類資料，如光源的參數、視點的位置等，它們對於所有頂點來說都是一樣的。
3. Varying類型。這種類型用於從vertex shader往pixel shader傳遞資料，vertex shader的計算結果通過它們流入到pixel shader環節。
此外，GLSL還有一些內建的uniform和常量類型資料，它們以gl_打頭，如uniform mat4 gl_ModelViewMatrix，const int gl_MaxLights = 8 等。在定義自己的變數時需要注意命名衝突的問題。
以上是GLSL中資料類型的粗略介紹，詳細的內容大家可以參考一下《OpenGL Shading Language, Second Edition》一書，感興趣的朋友可以向我索取。下面我們轉入今天的核心話題：資料傳遞。
對於第1種資料類型——Attribute，OpenGL使用常規的頂點設定指令來傳遞相關資料，如前面我們提到的glVertex, glNormal等指令。比如glVertex，在指定了頂點的座標之後，內建資料變數gl_Vertex（attribute vec4 gl_Vertex;）的值會被修改為glVertex指令所指定的值，然後這個值可以由vertex shader中的代碼所使用。不過這僅限於系統內建的資料，對於可程式化的圖形流水線來說，要製造出精美複雜的渲染效果僅僅靠這一些內建的資料是不夠的，通常情況下我們需要傳入一些具有其他含義的資料給shader，這些資料將存入由OpenGL為其預留的空間。我們來看看下面的指令。
指令void glVertexAttrib{1|2|3|4}{s|f|d}(GLuint index, TYPE v) 可以用來指定自訂的attribute資料。這跟OpenGL的其他頂點屬性指令在使用上是一樣的。其中的index指定了存入的位置（我們可以這麼認為），vertex shader可以從這些位置把資料讀取出來。另外，還有一些類似的指令，提供了對數群組類型、單位化（即絕對值不超過1.0）資料的傳遞，如下：
void glVertexAttrib{1|2|3}{s|f|d}v(GLuint index, const TYPE *v) ［數群組類型］
void glVertexAttrib4{b|s|i|f|d|ub|us|ui}v(GLuint index, const TYPE *v)［數群組類型］
void glVertexAttrib4Nub(GLuint index, TYPE v) ［單位化］
void glVertexAttrib4N{b|s|i|f|d|ub|us|ui}v(GLuint index, const TYPE *v)［單位化］
更為通用的一種指令是
void glVertexAttribPointer(GLuint index,
GLint size,
GLenum type,
GLboolean normalized,
GLsizei stride,
const GLvoid *pointer)
這條指令需要如下指令來配合使用
void glEnableVertexAttribArray(GLuint index)［開啟該vertex attribute array］
void glDisableVertexAttribArray(GLuint index)［關閉該vertex attribute array］
實際上它們跟開啟和關閉OpenGL用戶端狀態的使用方法是一樣的。
OK，到此我們已經完成了一半的工作，在啟動繪圖指令之後（如glDawXxxx系列），應用程式便會把資料傳遞給shader。剩下的一半工作就是shader如何來訪問傳入的資料。
第一種方案是所有的工作都由GLSL的連結器自動來完成，然後向OpenGL查詢需要訪問的資料。［用得較少，書中未詳細說明，在此略過.....］。
第二種方案是綁定，即由應用程式明確的表示把哪些索引（儲存位置）綁定到哪些變數（名稱），這樣，在shader中直接引用變數的名稱就可以了，如下：
void glBindAttribLocation(GLuint program, GLuint index, const GLchar *name)
該指令把某個shader程式（program）中的index（儲存位置）與變數name（變數名稱）綁定。這樣，程式通過把資料存放區到index指定的位置，綁定之後，shader就可以通過name來訪問，跟普通變數的使用方式一樣。與之相對應的還有一條查詢指令，用於查詢shader中某個變數所對應的儲存區索引位置：
GLint glGetAttribLocation(GLuint program, const GLchar *name)
綁定指令可以將一個位置綁定到多個變數，即別名機制，就如同c++裡可以建立引用一樣；但是一個變數不能對應到多個索引位置，這一點比較容易理解；同時，並非所有的綁定都會生效。如果shader中沒有使用某個變數，而這個變數被使用了綁定指令，則它是處於非啟用狀態的，對於這樣的變數GLSL在處理過程中會把它最佳化掉。通過指令
void glGetActiveAttrib(GLuint program,
GLuint index,
GLsizei bufSize,
GLsizei *length,
GLint *size,
GLenum *type,
GLchar *name)
可以查詢變數的啟用狀態。這是Attribute類型的資料傳遞方式。
對於Uniform資料，沒有“綁定”，而是通過查詢對應變數對應的索引位置來設定。使用方式與Attribute類似，對應於下面一組指令：
void glUniform{1|2|3|4}{f|i}(GLint location, TYPE v)［指定普通變數］
void glUniform{1|2|3|4}{f|i}v(GLint location, GLuint count, const TYPE v)［指定陣列變數］
void glUniformMatrix{2|3|4}fv(GLint location, GLuint count, GLboolean transpose, const GLfloat *v)［指定矩陣變數］
GLint glGetUniformLocation(GLuint program, const GLchar *name)［查詢］
void glGetUniformfv(GLuint program, GLint location, GLfloat *params)［查詢數組］
void glGetUniformiv(GLuint program, GLint location, GLint *params)［查詢數組］
void glGetActiveUniform(GLuint program,
GLuint index,
GLsizei bufSize,
GLsizei *length,
GLint *size,
GLenum *type,
GLchar *name)［查詢啟用的變數］
需要注意一點的是，與Attribute類型不同，Uniform可以定義結構體變數，而結構體變數是無法直接查詢的，只能查詢到它的成員。比如，A是一個結構體，那麼glGetUniformLocation( program, "A" ）是無效的，而glGetUniformLocation( program, "A.b" ）是有效（b是A的一個成員變數）。其他的與Attribute類型基本一致。
對於採樣器類型，則有其專用的指令：glUniform1i 和 glUniform1iv。實際就是把對應的紋理單元編號傳遞給shader。
以上就是關於資料傳遞的主要內容。還有一些特殊的情況，用得相對較少，在後續涉及到的時候再跟大家一起討論。好了，我該繼續學習去了，之後再跟大家一起分享我的學習成果^_^