（第五章）OpenGL超级宝典学习：统一变量（uniform variable）

统一变量

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前言 本篇在讲什么 本篇记录对glsl中的变量uniform的认知和学习 本篇适合什么 适合初学Open的小白 适合想要学习OpenGL中uniform的人 本篇需要什么 对C++语法有简单认知 对OpenGL有简单认知 最好是有OpenGL超级宝典蓝宝书 依赖Visual Studio编辑器 本篇的特色 具有全流程的图文教学 重实践，轻理论，快速上手 提供全流程的源码内容

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♠ uniform

♥ 什么是uniform

uniform在glsl是一种特殊变量的限定符，这种变量被称为统一变量

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♥ uniform的作用

能够直接将数据从应有程序传递到着色器阶段

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♥ 简单理解

简单理解，用uniform定义在着色器中的变量，类似代码中的静态变量

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♥ 定义

♣ 方式1

uniform vec4 out_color;

可以直接通过uniform+类型+字段的方式定义在着色器内

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♣ 方式2

layout(location = 0) uniform vec4 out_color;

可以在方式1的基础上加上layout位置限定符

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♣ 定义演示

"#version 450 core                                                 \n"
"                                                                  \n"
"uniform vec4 out_color1;										   \n"
"                                                                  \n"
"layout(location = 0) uniform vec4 out_color2;					   \n"
"                                                                  \n"
"out vec4 color;                                                   \n"
"                                                                  \n"
"void main(void)                                                   \n"
"{                                                                 \n"
"    color = out_color1;										   \n"
"}                                                                 \n"

以上是一个片段着色器的代码，我们在其中按照方式1和方式2定义了两个统一变量out_color1和out_color2

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♥ 赋值

定义uniform后，我们需要在外部给其赋值，根据不同的定义方式，赋值的方式也略有不同

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♣ 获取位置赋值

第一种赋值方式针对根据方式1定义的变量，我们首先需要获取变量在程序中的位置，才可以通过接口赋值，看下述代码

int location = glGetUniformLocation(program, "out_color1");
glUniform4f(location, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f)

要点1：glGetUniformLocation

该接口可以根据定义的变量名，来获取统一变量在程序中的位置，参数1是创建好的程序，参数2是自定义的变量名，out_color1是我们在上边定义代码中写的变量

要点2：glUniform4f

我们在获取到变量位置后，可以通过glUniform**类似的接口给不同类型的统一变量赋值，参数1是位置，后边是需要赋的值

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♣ 直接赋值

在上述定义2的形式中，我们直接通过限定符layout给变量设定了位置，如此一来我们就不需要再获取位置了，可以直接赋值

glUniform4f(0, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f)

类似的形式还有很多，比如直接定义数组的赋值方式

GLfloat outColor[4] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };glUniform4fv(0, 1, outColor);

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♥ 实战演示

我们已经知道了如何定义变量，还有如何赋值，下面我们就写一个简单的例子，画一个三角形，通过uniform变量给三角形上色

注：该例子直接修改OpenGl超级宝典官方示例singletri.cpp，只需修改片段着色器和render方法

• 片段着色器

static const char * fs_source[] =
{"#version 450 core                                                 \n""                                                                  \n""uniform vec4 out_color1;										   \n""                                                                  \n""layout(location = 0) uniform vec4 out_color2;					   \n""                                                                  \n""out vec4 color;                                                   \n""                                                                  \n""void main(void)                                                   \n""{                                                                 \n""    color = out_color2;										   \n""}                                                                 \n"
};

• render

virtual void render(double currentTime)
{static const GLfloat green[] = { 0.0f, 0.25f, 0.0f, 1.0f };glClearBufferfv(GL_COLOR, 0, green);// 赋值方式1//int  location = glGetUniformLocation(program, "out_color1");//glUniform4f(location, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);// 赋值方式2//glUniform4f(0, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);// 赋值数组GLfloat outColor[4] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };glUniform4fv(0, 1, outColor);glUseProgram(program);glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
}

很简单的一个例子，我们通过glUniform4f或glUniform4fv方法，给outColor赋值，得以给三角形绘制指定颜色

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♠ 一致区块

我们已经了解到统一变量的定义、赋值和使用，但是仅仅是单一变量，还有种高级点的用法，可以将很多的统一变量组合成一个区块，称之为一致区块

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♥ 定义

以下声明了一个名为TransformBlock的一致区块

uniform TransformBlock{float scale;vec3 translation;float rotation[3];mat4 projection_matrix;
};			

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♥ 数据布局

命名好的区块会被写入到缓冲当中，在缓冲中，区块的数据布局可能不同，有两种数据布局

• 标准的、共识的数据布局（标准布局）

由于区块中的数据不同，占用的空间不同，该布局会根据每个统一变量的空间占用去存储

• OpenGL自己决定数据的布局方式（shared布局）

OpenGL自己决定存储方式，用之前并不知道各个数据位置，运行的时候需要先查询数据布局格式

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♣ 标准布局

推荐使用标准布局，以下是标准布局的声明方式，需要用到限定符std140去声明一致区块

layout uniform (std140) TransformBlock{	float scale;vec4 color;
};							

使用标准布局最重要的一点是我们需要知道区块内的统一变量，在缓存中的数据位置，我们简单理解一下数据的分布规则

• 每个类型都有固定长度
• 数据的起始点必须是其固定长度的倍数

我们以上边声明的TransformBlock为例来简单介绍一下

• 类型float的长度是4，起始点是0，scale需要四个字节，所以结束位置4
• 类型vec4的长度是16，因为前4位已被占用，并且4不是16的倍数，所以translation在缓冲的起始点只能是16，需要16个字节，在32结束

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♥ 数据缓冲

区块的缓冲和我们之前学习的缓冲类似，结构基本一致，分为以下几个步骤

• 创建和绑定缓冲

unsigned int ubo;
glGenBuffers(1, &ubo);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, ubo);

• 分配内存

glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 4*8, NULL, GL_STATIC_DRAW);

• 将缓冲区对象内的范围绑定到索引的缓冲区目标

glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, ubo, 0, 4 * 8);

• 更新数据

glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, 4 * 4, sColor);

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♥ 完整示例

我们来看一个完整的演示示例吧，很简单，我们只通过区块内的统一变量去给三角形上色

注：该例子直接修改OpenGl超级宝典官方示例singletri.cpp，只需修改startup方法即可

virtual void startup()
{static const char * vs_source[] ={"#version 450 core                                                 \n""                                                                  \n"" 																   \n""void main(void)                                                   \n""{                                                                 \n""    const vec4 vertices[] = vec4[](vec4( 0.25, -0.25, 0.5, 1.0),  \n""                                   vec4(-0.25, -0.25, 0.5, 1.0),  \n""                                   vec4( 0.25,  0.25, 0.5, 1.0)); \n""                                                                  \n""    gl_Position = vertices[gl_VertexID];                          \n""}                                                                 \n"};static const char * fs_source[] ={"#version 450 core                                                 \n""                                                                  \n""layout (std140) uniform color_block							   \n""{                                                                 \n""    vec4 out_color;                                               \n""};                                                                \n""                                                                  \n""out vec4 color;                                                   \n""                                                                  \n""void main(void)                                                   \n""{                                                                 \n""    color = out_color;										       \n""}                                                                 \n"};program = glCreateProgram();GLuint fs = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);glShaderSource(fs, 1, fs_source, NULL);glCompileShader(fs);GLuint vs = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);glShaderSource(vs, 1, vs_source, NULL);glCompileShader(vs);glAttachShader(program, vs);glAttachShader(program, fs);glLinkProgram(program);glGenVertexArrays(1, &vao);glBindVertexArray(vao);GLfloat sColor[] = { 1.0f, 0.5f, 0.0f, 1.0f };unsigned int ubo;glGenBuffers(1, &ubo);glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, ubo);glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 4*8, NULL, GL_STATIC_DRAW);glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, ubo, 0, 4 * 8);glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, 4 * 4, sColor);
}

要点1：在该片段着色器中我们声明了一个标准区块color_block，其存有唯一变量out_color，该变量会作为三角形颜色被赋值

要点2：自定义颜色sColor，作为数值通过glBufferSubData接口更新到了区块内，以下是最终显示效果

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♠ 推送

• Github

https://github.com/KingSun5

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♠ 结语

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