OpenGL入门005——使用Shader类管理着色器
本节将把着色器有关的代码抽象出来为外部文件，通过OpenGL的API与着色器进行交互，从外部文件中加载着色器代码
文章目录
- 一些概念
- 统一变量
- 实战
- 简介
- dependencies
- shader.fs
- shader.vs
- utils
- windowFactory.h
- shader.h
- RectangleModel.h
- RectangleModel.cpp
- main.cpp
- CMakeLists.txt
- 最终效果
一些概念
统一变量
概述： 在OpenGL着色器中，统一变量(unfiorm variable)是一种全局变量，可以从应用程序代码传递到着色器中，统一变量在着色器的整个生命周期内保持不变，通常用于传递一些不会频繁变化的数据，例如变换矩阵、材质属性、光源参数等
特点：
- 全局性
- 只读性
- 应用程序设置
声明： 在着色器中，使用uniform关键字声明统一变量
实战
简介
怎么在vscode上使用cmake构建项目，具体可以看这篇Windows上如何使用CMake构建项目 - 凌云行者的博客
目的： 学习如何使用Shader类来管理OpenGL的着色器
环境：
- 编译工具链：使用msys2安装的mingw-gcc
- 依赖项：glfw3:x64-mingw-static，glad:x64-mingw-static（通过vcpkg安装）
dependencies
shader.fs
作用： 着色器代码
// 指定OpenGL着色器语言的版本为3.30
#version 330 core
// 输入变量，表示传入的颜色值
in vec3 ourColor;
// 输出变量，表示片段的最终颜色
out vec4 FragColor;
void main() {
// 将输入的颜色值转换为vec4，并将alpha值设置为1.0，赋值给输出变量
FragColor = vec4(ourColor, 1.0f);
}
shader.vs
#version 330 core
layout (location = 0) in vec2 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
out vec3 ourColor;
void main()
{
gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, 0.0, 1.0);
ourColor = aColor;
}
utils
windowFactory.h
#pragma once
#include <glad/glad.h> // gald前面不能包含任何opengl头文件
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <functional>
#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
class GLFWWindowFactory {
public:
// 默认构造函数
GLFWWindowFactory() {}
// 构造函数，初始化窗口
GLFWWindowFactory(int width, int height, const char* title) {
// 初始化glfw
glfwInit();
// 设置opengl版本
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
// 使用核心模式：确保不使用任何被弃用的功能
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
// 创建glfw窗口
this->window = glfwCreateWindow(width, height, title, NULL, NULL);
if (this->window == NULL) {
cout << "Failed to create GLFW window" << endl;
glfwTerminate();
exit(-1);
}
// 设置当前窗口的上下文
glfwMakeContextCurrent(this->window);
// 设置窗口大小改变的回调函数
glfwSetFramebufferSizeCallback(this->window, framebuffer_size_callback);
// 加载所有opengl函数指针
if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)) {
cout << "Failed to initialize GLAD" << endl;
}
// 再次设置当前窗口的上下文，确保当前上下文仍然是刚刚创建的窗口，是一个安全措施
glfwMakeContextCurrent(this->window);
// 设置窗口大小改变的回调函数
glfwSetFramebufferSizeCallback(this->window, framebuffer_size_callback);
}
// 获取窗口对象
GLFWwindow* getWindow() {
return this->window;
}
// 运行窗口，传入一个自定义的更新函数
void run(std::function<void()> updateFunc) {
// 启用深度测试，opengl将在绘制每个像素之前比较其深度值，以确定该像素是否应该被绘制
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
// 循环渲染
while (!glfwWindowShouldClose(this->window)) { // 检查是否应该关闭窗口
// 清空屏幕所用的颜色
glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
// 清空颜色缓冲，主要目的是为每一帧的渲染准备一个干净的画布
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// 处理输入
GLFWWindowFactory::process_input(this->window);
// 执行更新函数
updateFunc();
// 交换缓冲区
glfwSwapBuffers(this->window);
// 处理所有待处理事件，去poll所有事件，看看哪个没处理的
glfwPollEvents();
}
// 终止GLFW，清理GLFW分配的资源
glfwTerminate();
}
// 窗口大小改变的回调函数
static void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height) {
// 确保视口与新窗口尺寸匹配，注意在视网膜显示器上，宽度和高度会显著大于指定值
glViewport(0, 0, width, height);
}
// 处理输入
static void process_input(GLFWwindow* window) {
// 按下ESC键时进入if块
if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
// 关闭窗口
glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}
private:
// 窗口对象
GLFWwindow* window;
};
shader.h
#ifndef SHADER_H
#define SHADER_H
#include <glad/glad.h>
#include <glm/glm.hpp>
#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>
using std::string;
using std::ifstream;
using std::stringstream;
using std::cout;
using std::endl;
class Shader {
public:
// 默认构造函数
Shader() {}
// 着色器程序ID
unsigned int ID;
// 构造函数
Shader(const char* vertexPath, const char* fragmentPath) {
string vertexCode;
string fragmentCode;
ifstream vShaderFile;
ifstream fShaderFile;
// 确保ifstream对象可以抛出异常
vShaderFile.exceptions(ifstream::failbit | ifstream::badbit);
fShaderFile.exceptions(ifstream::failbit | ifstream::badbit);
try {
// 打开文件
vShaderFile.open(vertexPath);
fShaderFile.open(fragmentPath);
// 读取文件缓冲区内容到stream中
stringstream vShaderStream, fShaderStream;
vShaderStream << vShaderFile.rdbuf();
fShaderStream << fShaderFile.rdbuf();
// 关闭文件处理器
vShaderFile.close();
fShaderFile.close();
// 将stream转换为字符串
vertexCode = vShaderStream.str();
fragmentCode = fShaderStream.str();
} catch (ifstream::failure& e) {
cout << "ERROR::SHADER::FILE_NOT_SUCCESSFULLY_READ: " << e.what() << endl;
}
const char* vShaderCode = vertexCode.c_str();
const char* fShaderCode = fragmentCode.c_str();
// 编译着色器
unsigned int vertex, fragment;
// 顶点着色器
vertex = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
glShaderSource(vertex, 1, &vShaderCode, NULL);
glCompileShader(vertex);
checkCompileErrors(vertex, "VERTEX");
// 片段着色器
fragment = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
glShaderSource(fragment, 1, &fShaderCode, NULL);
glCompileShader(fragment);
checkCompileErrors(fragment, "FRAGMENT");
// 着色器程序
ID = glCreateProgram();
glAttachShader(ID, vertex);
glAttachShader(ID, fragment);
glLinkProgram(ID);
checkCompileErrors(ID, "PROGRAM");
// 删除着色器
glDeleteShader(vertex);
glDeleteShader(fragment);
}
// 激活着色器
void use() {
glUseProgram(ID);
}
// 实用的uniform工具函数
// 用于在着色器程序中设置uniform值
// 设置一个布尔类型的uniform变量
void setBool(const std::string& name, bool value) const {
glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), (int)value);
}
// 设置一个整型的uniform变量
void setInt(const std::string& name, int value) const {
glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value);
}
// 设置一个浮点类型的uniform变量
void setFloat(const std::string& name, float value) const {
glUniform1f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), value);
}
// 设置一个vec2类型的uniform变量
void setVec2(const std::string& name, const glm::vec2& value) const {
glUniform2fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, &value[0]);
}
// 设置一个vec2类型的uniform变量
void setVec2(const std::string& name, float x, float y) const {
glUniform2f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), x, y);
}
// 设置一个vec3类型的uniform变量
void setVec3(const std::string& name, const glm::vec3& value) const {
glUniform3fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, &value[0]);
}
// 设置一个vec3类型的uniform变量
void setVec3(const std::string& name, float x, float y, float z) const {
glUniform3f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), x, y, z);
}
// 设置一个vec4类型的uniform变量
void setVec4(const std::string& name, const glm::vec4& value) const {
glUniform4fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, &value[0]);
}
// 设置一个vec4类型的uniform变量
void setVec4(const std::string& name, float x, float y, float z, float w) {
glUniform4f(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), x, y, z, w);
}
// 设置一个mat2类型的uniform变量
void setMat2(const std::string& name, const glm::mat2& mat) const {
glUniformMatrix2fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, GL_FALSE, &mat[0][0]);
}
// 设置一个mat3类型的uniform变量
void setMat3(const std::string& name, const glm::mat3& mat) const {
glUniformMatrix3fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, GL_FALSE, &mat[0][0]);
}
// 设置一个mat4类型的uniform变量
void setMat4(const std::string& name, const glm::mat4& mat) const {
glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(ID, name.c_str()), 1, GL_FALSE, &mat[0][0]);
}
private:
// 检查着色器编译/链接错误
void checkCompileErrors(GLuint shader, string type) {
GLint success;
GLchar infoLog[1024];
if (type != "PROGRAM") {
glGetShaderiv(shader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if (!success) {
glGetShaderInfoLog(shader, 1024, NULL, infoLog);
cout << "ERROR::SHADER_COMPILATION_ERROR of type: " << type << "\n" << infoLog << "\n -- --------------------------------------------------- -- " << endl;
}
}
else {
glGetProgramiv(shader, GL_LINK_STATUS, &success);
if (!success) {
glGetProgramInfoLog(shader, 1024, NULL, infoLog);
cout << "ERROR::PROGRAM_LINKING_ERROR of type: " << type << "\n" << infoLog << "\n -- --------------------------------------------------- -- " << endl;
}
}
}
};
#endif
RectangleModel.h
作用： 矩阵模型的头文件
#pragma once
#include<glad/glad.h>
#include"shader.h"
class RectangleModel {
public:
// 构造函数
RectangleModel(const Shader& shader);
// 析构函数
~RectangleModel();
// 绘制矩形
void draw();
private:
unsigned int VAO;
unsigned int VBO;
unsigned int EBO;
Shader shader;
// 着色器程序
unsigned int shaderProgram;
// 编译着色器
void compileShaders();
// 设置缓冲区
void setElements();
};
RectangleModel.cpp
作用： 三角形模型的具体实现
#include "RectangleModel.h"
#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
// 构造函数
RectangleModel::RectangleModel(const Shader& shader) : shader(shader) {
// 设置缓冲区
setElements();
}
// 析构函数
RectangleModel::~RectangleModel() {
// 删除VAO
glDeleteVertexArrays(1, &this->VAO);
// 删除VBO
glDeleteBuffers(1, &this->VBO);
// 删除EBO
glDeleteBuffers(1, &this->EBO);
}
/// public
// 绘制矩形
void RectangleModel::draw() {
// 使用着色器程序
this->shader.use();
// 绑定VAO
glBindVertexArray(VAO);
// 绘制矩形，即绘制两个三角形，GL_UNSIGNED_INT表示索引数组中的每个元素都是一个无符号整数
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
}
/// private
void RectangleModel::setElements() {
// 顶点数据
float vertices[] = {
-0.75f, -0.75f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.75f, -0.75f, 1.0f, 0.5f, 0.0f,
-0.75f, 0.75f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,
0.75f, 0.75f, 0.0f,1.0f,0.0f,
};
// 索引数据
int indices[] = {
0, 1, 2,
1, 2, 3, };
// 生成一个VAO
glGenVertexArrays(1, &this->VAO);
// 绑定VAO，使其成为当前操作的VAO
glBindVertexArray(this->VAO);
// 生成一个VBO
glGenBuffers(1, &this->VBO);
// 绑定VBO, 使其成为当前操作的VBO，GL_ARRAY_BUFFER表示顶点缓冲区
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this->VBO);
// 为当前绑定的VBO创建并初始化数据存储，GL_STATIC_DRAW表示数据将一次性提供给缓冲区，并且在之后的绘制过程中不会频繁更改
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
// 生成一个EBO
glGenBuffers(1, &this->EBO);
// 绑定EBO，使其成为当前操作的EBO
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
// 传递索引数据
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);
// 定义顶点属性的布局
// - index：顶点属性的索引
// - size：每个顶点属性的数量，每个顶点有三个分享
// - type：数据类型
// - normalized：是否将非浮点数值归一化
// - stride：连续顶点属性之间的间隔
// - pointer：数据在缓冲区中的偏移量
// 设置顶点属性指针，位置属性
glVertexAttribPointer(0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)0);
// 启用顶点属性
glEnableVertexAttribArray(0);
// 设置顶点属性指针，颜色属性
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)(2 * sizeof(float)));
// 启用顶点属性
glEnableVertexAttribArray(1);
}
main.cpp
#include "utils/RectangleModel.h"
#include "utils/windowFactory.h"
int main() {
// 创建一个窗口Factory对象
GLFWWindowFactory myWindow(800, 600, "This is Title");
// 创建一个着色器对象
Shader shader("shader.vs", "shader.fs");
// 创建一个矩形模型对象
RectangleModel rectangle(shader);
// 运行窗口，传入一个lambda表达式，用于自定义渲染逻辑
myWindow.run([&]() {
// 绘制矩形
rectangle.draw();
});
return 0;
}
CMakeLists.txt
# 设置CMake的最低版本要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
# 设置项目名称
project(Shader)
# vcpkg集成, 这里要换成你自己的vcpkg工具链文件和共享库路径
set(VCPKG_ROOT D:/software6/vcpkg/)
set(CMAKE_TOOLCHAIN_FILE ${VCPKG_ROOT}/scripts/buildsystems/vcpkg.cmake)
set(CMAKE_PREFIX_PATH ${VCPKG_ROOT}/installed/x64-mingw-static/share)
# 查找所需的包
find_package(glad CONFIG REQUIRED)
find_package(glfw3 CONFIG REQUIRED)
find_package(glm CONFIG REQUIRED)
# 搜索并收集utils文件夹下的所有源文件
file(GLOB UTILS "utils/*.cpp", "utils/*.h")
# 添加可执行文件（还要加入utils文件夹下的源文件）
add_executable(Shader main.cpp ${UTILS})
# 链接所需的库
target_link_libraries(Shader PRIVATE glad::glad glfw glm::glm)
# 检查项目是否有dependeicies目录，如果存在，则在使用add_custom_command命令在构建后将dependencies目录中的文件复制到项目的输出目录
set(SOURCE_DIR "${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/dependencies")
if(EXISTS ${SOURCE_DIR})
add_custom_command(TARGET Shader POST_BUILD
COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E copy_directory
${SOURCE_DIR} $<TARGET_FILE_DIR:Shader>)
endif()
最终效果
