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OpenGL着色语言

更新时间:2024-03-07 07:25:56 阅读：评论：0

2024年3月7日发(作者：自尊英语)

OpenGL着色语言

OpenGL 低级着色语言与高级着色语言

节选自偶的毕业论文，主要是对可编程图形处理器， ARB_VERTEX_PROGRAM和glslang的简单介绍。抛砖引玉，希望大家不吝赐教：）

Octane3d@

第二章可编程图形处理器

现代图形流水线如图-2.1所示。

（图-2.1，图形流水线）

应用程序级（Application）实现物理模拟，处理用户输入，修改数据结构，数据库访问，几何基元生成等功能。命令级（Command）提供命令缓冲区，解释执行命令和管理图形系统的状态。几何级（Geometry）对多项式表达的弯曲曲面求值，进行几何变换，光照计算，纹理坐标生成，实现剪切，拣选与几何基元组装等功能。光栅化级（Rasterization）进行三角形设置，对三角形进行抽样以生成片断，并且对颜色和纹理坐标进行插值。纹理级（Texture）对纹理坐标进行变换，进行纹理访问与过滤。片断级（Fragment）混合片断颜色与纹理，进行雾化操作，执行深度、透明以及模版测试，最终生成要写入帧缓冲区的象素。显示级（Display）对象素颜色进行嘎玛校正后写入帧缓冲区。命令与几何级属于对象空间的操作，其上的操作是每顶点的，主要是进行几何变换和光照计算，它的特点是大量（>= 1000万个顶点）复杂的浮点操作。纹理与片断级输入图像空间的操作，其上的操作是每片断的，主要是进行纹理混合，它的特点是进行海量（>= 10 亿个片断）但是较简单的定点运算。

图形硬件的发展是一个逐渐对图-2.1中的流水级增加硬件加速功能的过程。最早的图形硬件只是一个简单的帧缓冲区，没有任何硬件加速功能。之后逐渐添加硬件光栅化，硬件纹理映射，硬件几何变换与光照计算，硬件反走样等功能。按照图形硬件所支持的硬件加速功能的多少与性质，可以把图形硬件分为几代。1984年，SGI公司发布了IRIS 1400图形系统，其中集成的图形硬件可以实时光栅化平坦着色（flat-shaded）的多边形，这是第一代图形加速硬件。第二代图形加速硬件以HP的SPX和SGI的GT为代表。它们提供Phong光照计算，Gouraud着色和Z-Buffer功能，光栅化性能也有了大大提高。1992年，SGI推出了RealityEngine [Akeley93]，之后又于1996年推出了InfiniteReality [Montrym97]，标志着图形加速硬件进入第三代。RealityEngine在第二代图形加速硬件的基础上，增加了纹理映射与与全场景反走样的功能，大大提高了实时渲染的真实感。上述的图形加速硬件价格昂贵，只有高档的图形工作站才能够配置，但是1996年3Dfx公司推出的面向PC平台的Voodoo系列3D加速卡改变了这一局面。Voodoo卡介于第二与第三代图形加速硬件之间，它提供Gouraud着色，硬件光栅化，硬件纹理映射，Z缓冲区等功能，将PC带入了实时3D的时代。随后，PC图形硬件蓬勃发展，更高的三角形生成速率，更高的填充速率，多纹理功能，硬件几何变换与光照计算，碰撞与环境映射以及全屏反走样将其带入了第三代图形加速硬件的时代。此后，随着PC游戏以及PC工作站的发展，可以说，PC图形硬件的发展代表了图形硬件技术发展的主流方向。

无论是传统工作站图形硬件，还是PC图形硬件，从第一代到第三代，它们的一个共同特征就是都只实现了固定功能的渲染流水线，而不具备可编程能力。与这些图形硬件相匹配，主要的3D API例如OpenGL 和 Direct3D作为一个状态机实现，用户通过3D API提供的函数设置好相应的状态，例如变换矩阵、材质参数、光源参数、纹理混合模式等，然后传入顶

点流。图形硬件则利用内置的固定渲染流水线和渲染算法对这些顶点进行几何变换、光照计算、光栅化、纹理混合、雾化操作、最终将处理结果写入帧缓冲区。这种渲染体系限制用户只能使用图形硬件中固化的各种渲染算法。这虽然可以很好的满足对渲染质量要求不高的应用，但难以满足那些需要更高的灵活性和更真实的渲染质量的实时图形应用。用户已经不再满足于基于顶点的近似Phong模型光照计算（这是OpenGL和Direct3D采用的光照计算模型，这两种API上的光照计算或者在支持硬件光照计算的的图形硬件之上进行，或者在CPU之上进行。）和简单的多纹理混合。用户需要硬件加速的角色动画支持，需要使用定制的光照模型（基于片断的光照模型、各向异性光照模型、基于BRDF的光照模型），需要非真实渲染（卡通渲染、素描渲染），需要每片断Fresnel效果，需要各种体积效果，需要过程纹理，以及各种以往只有在Renderman [Upstill89] 之上才能看到的3D效果。对于这些需求，传统的图形硬件是无能为力的。满足这些需求的答案就是硬件可编程性。

2001年3月，nVidia公司推出了具有可编程能力的GeForce 3 [Lindholm01]，从而将图形加速硬件带入了可编程的时代，即可编程图形处理器，我们不妨将它们视为第四代图形处理器。现代图形处理器的可编程引擎如图-2.2所示。

（图-2.2，现代图形处理器的可编程引擎）

图-2.2中的VE（顶点引擎或者顶点处理器）和PP（片断引擎或者片断处理器）就是可编程图形处理器中的可编程部件。运行于顶点处理器之上的程序称为顶点着色程序（Vertex

Shader），它们的工作是进行几何变换和光照计算等操作。运行于片断处理器之上的程序称为片断着色程序（Fragment Shader），它们的工作是进行纹理混合等操作。顶点着色程序的输入是顶点流，输出是处理后的顶点流。后者经固定的光栅化模块进行三角形组装和光栅化处理后用于生成片断流送入片断着色程序。片断着色程序访问纹理，进行纹理混合并最终计算出片断的颜色与深度信息送入后续流水级以进行透明、深度、模板与雾化等操作。一个图形处理器中一般包含多个顶点处理器和多个片断处理器。如图-2.2所示的图形处理器包含2个顶点处理器，4个片断处理器。同类型的处理器上运行的总是同一个着色程序的一个拷贝，这些着色程序并行运行，处理输入流中的不同数据元素。输入流中的数据元素类型相同，并且相互之间独立。Shader在一个处理器上的每一次运行只能处理输入流中的一个元素。因此，顶点处理器或者片断处理器可以看作是使用同一指令对不同数据元素进行处理的单指令多

数据处理器（SIMD Processor）。

图-2.3是顶点处理器的体系结构。图-2.4是片断处理器的体系结构 [Michael02]。这两种处理器都没

（图-2.3，顶点处理器体系结构）

（图-2.4，片断处理器体系结构）

有内存的概念，所有的运算都在寄存器之上进行。它们的每一个寄存器都是四分量浮点寄存器，指令集中的指令可以同时对四个分量进行运算，因此可以把顶点处理器看作是一个基于寄存器的向量处理器。图-2.3中的顶点数据寄存器用于只读访问当前被处理的顶点的属性，例如顶点位置、法向量、颜色和纹理坐标。常量寄存器用于用于为顶点程序提供只读常量参数或者程序参数。只写的地址寄存器用于间接访问常量寄存器。临时寄存器用于保存中间运算结果。只写的输出寄存器则用于输出处理后的顶点属性。图-2.4中的颜色寄存器用于只读访问片断的颜色。只读的纹理坐标寄存器用于访问纹理坐标和对纹理进行抽样。常量寄存器用于为片断程序提供只读常量参数或者程序参数。临时寄存器用于保存中间运算结构，临时寄存器r0也是输出寄存器。图-2.3和图-2.4是DirectX所定义的顶点/片断处理器体系结构，但是它们也恰当的抽象了例如OpenGL等其它类型的顶点/片断处理器。

更详细的寄存器与指令集说明将放在下一章进行介绍。这里重点讨论一下顶点/片断处

理器区别于微处理器的一些特殊之处。微处理器的特点是标量运算、无内在向量并行性、算术运算单元少、有完善控制流指令、延迟低、带宽小。而图形应用的特点确是大运算量、大规模并行性、允许较长的延迟与深度前向流水。这就决定了图形处理器和微处理器在体系结构上存在着很大的差别。首先图形处理器要尽可能的实现高度并行性。这种并行性分为两种：数据并行性与流水线并行性。为了充分利用数据并行性，图形处理器在两个层次上进行并行处理。第一层利用输入数据流中数据元素之间的无关性，多个顶点（或片断）处理器运行一个顶点（或者片断）着色程序的多个拷贝，同时作用于输入数据流中的多个数据元素之上。从这个意义上说，图形处理器是一个流处理器。第二层是利用图形运算包含大量向量运算的特点，实现指令级并行性。具体地说就是把多个同类型的标量运算合并到一个向量运算之中。因此，图形处理器又是一个向量处理器。其次流水并行性允许顶点着色程序与片断着色程序同时运行，前者的输出恰为后者的输入，构成一种生产者消费者的关系。再次为了保证大规模并行运算，图形处理器基本上不支持转移指令或者只提供有限的支持，着色程序的静态长度和动态可执行长度也非常短。最后图形处理器有着比微处理器多的多的算术逻辑运算单元。图形处理器的所有指令都具有相同的延迟，不存在各类流水竞争。

现在图形处理器向着通用流处理器的方向发展，虽然它的重点应用仍然是图形应用，通用性也远不是微处理器概念上的通用性。可以预测，未来的图形处理器将支持功能更丰富的算术指令，提供更高程度的指令正交性和更强的转移指令功能。而它的应用范围除了实时图形应用外，也会扩展到全局光照计算、多体问题、分子动力学、弹性形变、流体模拟等科学计算领域 [Boltz03]。

第三章低级着色语言

3.1 概述

要利用现代图形处理器的可编程性，图形程序员需要编写在图形处理器上运行的程序，这种程序称为着色程序（shader）。着色程序可以分为两类，一类是顶点着色程序（vertex

shader），另一类是片断着色程序（fragment shader）。顶点着色程序运行于顶点处理器之上，每次激活处理一个顶点；片断着色程序运行于片断处理器之上，每次激活处理一个片断。目前绝大多数着色程序都由低级着色语言写成。图形处理器通过通用的3D API（DirectX或者OpenGL）向图形程序员提供可编程能力。

作为桌面PC上最主要的3D硬件接口，DirectX 从8.0开始就提供了对低级着色语言的支持，并在9.0中进一步完善和发展。DirectX运行库分别定义了执行vertex shader和fragment

shader的两个虚拟机，图形程序员针对这两个虚拟机编写shader，GPU厂商则在显卡驱动中实现这两个虚拟机。随着图形处理器硬件能力和DirectX的飞速发展，shader虚拟机的规范也在不断发展，目前DirectX 9.0支持多个版本的shader虚拟机。Vertex shader虚拟机有四个版本，分别是：vs_1_1、 vs_2_0、 vs_2_x和vs_3_0。Fragment shader（DirectX上称为pixel

shader）虚拟机有六个版本，分别是：ps_1_1、ps_1_2、ps_1_4、ps_2_0、ps_2_x和ps_3_0。上述不同版本基本上可以分为三代。第一代是1.x版本，这一代的shader虚拟机对应于早期的图形处理器。这些图形处理器提供的可编程资源（寄存器、指令集）都很有限，而且它们不提供转移指令。第二代是2.x版本，这一代虚拟机对应于目前的主流中档图形处理器。它们提供更多的寄存器和更大的指令集，而且提供基于常数的静态转移指令和有限的动态转移指令。第三代是3.x版本，这一代虚拟机对应于目前的主流高档和未来的图形处理器。它们提供更多的寄存器，包括静态与动态转移指令的更强大的指令集以及一个更一般的编程模型。

桌面PC的另一个主要3D硬件接口OpenGL接口也在不断的加强对低级着色语言的支持。这种支持最初是硬件厂商通过添加私有的扩展（openGL extension）[sgext]来实现的。例如nVidia公司通过添加NV_VERTEX_PROGRAM与NV_FRAGMENT_PROGRAM扩展来提供对vertex shader和fragment shader的支持；ATI公司通过添加EXT_VERTEX_SHADER与ATI_FRAGMENT_SHADER来提供对vertex Shader和fragmentsShader的支持。这种做法的一个巨大缺点是不同厂商提供的编程接口不同，图形程序员要想保证自己的应用能够在不同的图形处理器上上都能顺利运行，必须针对每一个厂商的扩展编写不同的渲染代码。为了解决这个问题，OpenGL体系管理委员会于2002年6月和2002年9月分别通过了两个官方扩展：ARB_VERTEX_PROGRAM与ARB_FRAGMENT_PROGRAM来统一对低级着色语言的支持。这两个扩展同样定义了运行vertex shader与fragment shader的两个shader虚拟机，图形程序员和显卡厂商分别针对这两个虚拟机编写应用程序和驱动程序。目前这两个扩展的版本是1.0（arbvp10和arbfp10），相当于DirectX中的vs_1_x和ps_1_x。这两个扩展的2.0的版本（arbvp20和arbfp20，相当于DirectX中的vs_2_x和ps_2_x）现在也在制定之中。

本文的研究对象是OpenGL 2.0中提出的高级着色语言glslang及其优化编译技术。为此，本章的后续几节将重点介绍做为glslang编译器目标机器的arbvp10虚拟机 [arbvp10] 与

arbfp10虚拟机 [arbfp10] 和arbvp20虚拟机与arbfp20虚拟机。但由于目前arbvp20/arbfp20的规范还未公布，我们只能在现有虚拟机的基础上设想这两种虚拟机的硬件能力。

3.2 arbvp10 着色语言

3.2.1 概述

Vertex shader在OpenGL渲染流水线中的位置和作用如图-3.1所示。

（图-3.1，OpenGL中的顶点着色程序）

用户编写的LLSL vertex shader（在OpenGL中称为vertex program）可以在用户的控制下取代OpenGL的固定几何变换与光照处理模块。当用户允许vertex program模式时，vertex

program在每指定一个顶点坐标或者顶点属性0时执行。Vertex program 每次处理一个顶点，对不同顶点的处理互不影响。它的输入是顶点的属性，包括坐标、法向量、颜色、纹理坐标等；输出是处理后的顶点属性，包括齐次剪切空间顶点坐标、颜色、纹理坐标等。Vertex

program一般来说需要完成顶点世界-观察坐标变换与投影坐标变换、基于顶点的光照计算和纹理坐标生成等任务。

3.2.2 arbvp10虚拟机

arbvp10虚拟机的框图如图-3.2所示。

（图-3.2，arbvp10虚拟机）

粗略的说，arbvp10虚拟机可以看作是一个基于寄存器的向量处理器。arbvp10虚拟机中没有内存的概念，所有的数据都保存在寄存器中。除地址寄存器外，所有的寄存器都是四分量浮点寄存器，也就是说，每一个寄存器可以保存四个浮点数。arbvp10虚拟机包含五种寄存器：顶点属性寄存器、顶点结果寄存器、临时寄存器、地址寄存器与程序参数寄存器。

arbvp10虚拟机支持至少16个顶点属性寄存器。这些寄存器可以通过表-3.1中的寄存的器名直接访问。

顶点属性传统寄存

器名

[n]

ary

rd [n]

index

index [n]

分量

（x, y, z, w）

（w, w, w, w）

（x, y, z, 1）

（r, g, b, a）

（f, 0, 0, 1）

（s, t, r, q）

（i, i, i, i）

顶点属性一般

寄存器名

[0]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[8]

[8 + n]

N/A

说明

对象坐标

顶点权重 0 – 3

顶点权重 n – n + 3

顶点法向量

主颜色

次颜色

雾化坐标

纹理坐标，纹理单元0

纹理坐标，纹理单元n

顶点矩阵索引 0 – 3

（i, i, i, i）顶点矩阵索引 n – n + 3

N/A

（表-3.1，顶点属性寄存器名）

表-3.1中的顶点属性寄存器有两种命名方式。一种是第一列中的顶点属性传统寄存器名，另一种是顶点属性一般寄存器名。前者对应于通过glVertex，glNormal等函数调用设置的顶点属性；后者对应于通过glVertexAttrib函数调用设置的顶点属性。两种设置顶点属性的方式都是可行的，但是不能混合使用。顶点属性寄存器也可以通过申明绑定到某一个顶点属性寄存器名的属性变量访问，例如：

ATTRIB pos = on; # pos等价于 on。

顶点属性寄存器是vertex program的输入，是只读寄存器。

arbvp10虚拟机支持至少8个顶点结果寄存器。这些寄存器可以通过表-3.2中的寄存器名直接访问。

顶点结果寄存器名

ary

分量描述

（x, y, z, w）剪切空间坐标

（r, g, b, a）正面主颜色

（r, g, b, a）

正面主颜色

正面次颜色

正面主颜色

正面次颜色

背面主颜色

背面次颜色

雾化坐标

点大小

纹理坐标

ary

（r, g, b, a）

..condary

（r, g, b, a）

（f, *, *, *）

ize

rd [n]

（s, *, *, *）

（s, t, r, q）

（表-3.2，顶点结果寄存器）

也可以通过申明绑定到某一个顶点结果寄存器名的输出变量访问，例如：

OUTPUT clipPos = on; # clipPos等价于on

顶点结果寄存器是vertex program的输出，是只写寄存器。

arbvp10虚拟机支持至少12个临时寄存器。临时寄存器的值在vertex program激活时无定义，也不能在vertex program的两次运行间共享。它们一般用于保存vertex program执行过程中的临时运算结果。临时寄存器通过申明临时变量使用：

TEMP temp0, temp1, temp2; # 申明了三个绑定到三个临时寄存器的临时变量。

arbvp10虚拟机支持至少一个地址寄存器。地址寄存器是四分量整数寄存器，并且只有x分量能够访问。地址寄存器用作访问程序参数数组的下标变量。地址寄存器通过申明地址变量使用：

ADDRESS Areg; # 定义了一个绑定到地址寄存器的地址变量。

程序参数寄存器。arbvp10虚拟机支持至少96个程序参数寄存器。程序参数寄存用于为vertex program提供执行所需要的只读参数。程序参数寄存器通过申明PARAM变量使用。需要指出的是PARAM类型的变量必须在申明的时候进行初始化，这一个初始化过程称为程序参数寄存器的显式绑定，即将这一PARAM变量绑定到某一个常量。程序参数寄存器可以绑定到四种量（可绑定量）：即常量、程序局部参数、程序环境参数和OpenGL状态变量。下面具体讨论每一种可绑定量及其绑定规则。注意除了显式绑定外还有隐式绑定。即对于shader中直接使用的一个可绑定量，系统会自动申明一个匿名PARAM变量绑定到该可绑定量。

1）常量绑定。PARAM变量通过如下方式绑定到常量：

PARAM par1 = 1.0; # par1 的值成为 {1.0，1.0，1.0，1.0}

PARAM par2 = {1.0，2.0，3.0，4.0}; # par2的值成为 {1.0，2.0，3.0，4.0}

2）程序局部参数。常量的值只能在vertex program内部设置。如果要从vertex program外部提供常量值，则需要通过程序局部参数实现。OpenGL应用通过glProgramLocalParameter

可以为某一个特定的vertex program设置最多达96个程序局部参数，这些参数只对该vertex

program有效。vertex program通过申明绑定到一个或多个程序局部参数的PARAM变量来访问该参数。

PARAM par = [8];

PARAM b [2] = [4..5];

3）程序环境参数。程序环境参数与程序局部参数类似，但程序环境参数通过glProgramEnvParameter设置并且对所有的vertex program有效。Vertex program通过申明绑定到一个或多个程序环境参数的PARAM变量来访问该参数。

PARAM a = [8];

PARAM b [2] = [4..5];

4）OpenGL 状态变量。用户可以通过申明绑定到表-3.3中的状态变量访问OpenGL状态变量。

状态变量名

材质状态变量：

ess

光源状态变量：

[n].ambient

[n].diffu

[n].specular

[n].position

[n].attenuation

分量

（r, g, b, a）

（x, y, z, w）

（a, b, c, e）

描述

正面材质环境反射系数

正面材质漫反射系数

正面材质镜面反射系数

正面材质镜面高光系数

正面材质的相关系数（* 同上）

反面材质的相关系数（* 同上）

光源 n 的环境光强

光源 n 的满反射光强

光源 n 的镜面反射光强

光源 n 的位置

光源 n 的衰减系数和聚光灯指数

[n].ion

（x, y, z, c）光源 n 的聚光灯方向和衰减角余弦

（x, y, z, 1）光源 n 的无限半角

[n].half

（r, g, b, a）光照模型的环境光强

光照模型的正面场景光强

olor

（r, g, b, a）

（r, g, b, a）光照模型的正面场景光强

rod [n].ambient

rod [n].diffu

rod [n].specular

rod [n].front.*

rod [n].back.*

纹理坐标生成状态变量：

[n].eye.s

[n].eye.t

（r, g, b, a）

光照模型的反面场景光强

（a, b, c, d）纹理单元 n 的TexGen观察空间

平面系数 s 坐标

（a, b, c, d）纹理单元 n 的TexGen观察空间

[n].eye.r

[n].eye.q

[n].object.*

雾化状态变量：

剪切平面状态变量：

[n].plane

点状态变量：

ation

矩阵状态变量：

iew [n]

tion

e [n]

（a, b, c, d）

（r, g, b, a）

（d, s, e, r）

（a, b, c, d）

（s, n, x, f）

（a, b, c, 1）

平面系数 t 坐标

纹理单元 n 的TexGen观察空间

平面系数 r 坐标

纹理单元 n 的TexGen观察空间

平面系数 q 坐标

纹理单元 n 的 TexGen 对象空间

平面系数 s/t/r/q 坐标

雾颜色

雾化系数

剪切平面 n 的平面方程系数

点大小

点大小衰减常数

模型观察矩阵 n

投影矩阵

模型观察-投影矩阵

纹理矩阵 n

模型观察矩阵调色板 n

顶点程序矩阵 n

m [n]

（表-3.3，可绑定的OpenGL状态变量）

例如，可以通过如下方式申明绑定到当前材质的环境反射系数状态变量的PARAM变量：

PARAM ambient = t;

隐式或者显式申明的与四种寄存器对应的变量的个数不能超过相应的资源限制。具体的数值可以通过OpenGL的查询函数获得。但是OpenGL实现必须支持上面提到的那些最小值。

3.2.3 arbvp10指令集

arbvp10虚拟机线性执行当前vertex program。一个vertex program最多允许包含128条指令（或更多，由具体的OpenGL实现确定）。arbvp10虚拟机支持27条SIMD指令。这些指令的操作数可以是标量，也可以是四分量向量。指令执行的结果可以是一般向量，也可以是由标量重复扩展而成的向量。当操作数是向量时，对向量四个分量的运算同时进行。arbvp10指令的一般格式是：

Opcode dst, [-]s0 [,[-]s1[,[-]s2]]; # 注释，[ ] 表示可选。

例如：

MOV R2, R2;

MAD R1, R2, R3, -R4;

表-3.4列出了27条指令的格式和简单说明，其中 v 表示向量，s表示标量，ssss表示由标

量重复扩展而成的向量，a表示单一的地址寄存器分量：

指令

ABS

ADD

ARL

DP3

DP4

DPH

DST

EX2

EXP

FLR

FRC

LG2

LIT

LOG

MAD

MAX

MIN

MOV

MUL

POW

RCP

RSQ

SGE

SLT

SUB

SWZ

XPD

目的操作数源操作数

ssss

v, v

v, v, v

v, v

s, s

v, v

说明

求绝对值

相加（按分量）

载入到地址寄存器 *

三分量点积

四分量点积

其次点积

计算距离向量

计算底数为2的指数

计算底数为2的指数（近似）*

计算比 v 小的最大整数（按分量）

计算 v 的小数部分（按分量）

计算底数为2的对数

计算光照计算系数

计算底数为2的对数（近似）*

先乘后加

计算最大值（按分量）

计算最小值（按分量）

赋值

相乘（按分量）

计算指数

计算倒数

计算平方根的倒数

大于等于时置位（按分量）

小于时置位（按分量）

相减（按分量）

扩展的分量下标置换

计算叉积

（表-3.4，带 * 的指令只能用于 Vertex Program）

源操作可以取负。例如，假设 R1 = {1, 2, 3, 4}，那么执行下面的指令后，R0的值为：

MOV R0, -R1; # R0 = {-1, -2, -3, -4}。

作为源操作数的的向量操作数可以进行分量下标置换操作。例如，假设 R1 = {1, 2, 3, 4}，那么执行下列指令后，R0的值分别为：

MOV R0, R1; # R0 = {1, 2, 3, 4}。

MOV R0, R1.y; # R0 = {2, 2, 2, 2}。

MOV R0, ; # R0 = {2, 3, 4, 1}。

作为目的操作数的向量操作数可以设置可写掩码。例如，假设R0 = {0, 0, 0, 0}，R1 = {1, 2, 3,

4}，那么执行下面的指令后，R0的值为：

MOV , R1; # R0 = {1, 2, 0, 0}。

3.2.4 一个简单的arbvp10程序

！！ARBvp1.0

ATTRIB pos = on;

PARAM mat [4] = {};

# Transform by concatenation of the MODELVIEW and PROJECTION matrices.

DP4 on.x, mat [0], pos;

DP4 on.y, mat [0], pos;

DP4 on.z, mat [0], pos;

DP4 on.w, mat [0], pos;

# Pass the primary color through w/o lighting.

MOV . ;

END

（图-3.3，arbvp10着色程序）

上面的程序简单的将顶点的坐标由对象空间变换到齐次剪切空间，然后将顶点颜色不加修改的输出。

3.3 arbfp10着色语言

3.3.1 概述

Fragment shader在OpenGL渲染流水线中的位置和作用如图-3.4所示。

（图-3.4，OpenGL中的片段着色程序）

用户编写的LLSL fragment shader（在OpenGL中称为fragment program）可以在用户的控制下取代OpenGL的固定片断处理模块。当用户允许fragment program模式时，fragment

program 在光栅化模块每生成一个片断时执行。Fragment program 每次处理一个片断，对不同片断的处理互不影响。它的输入是片断的属性，包括片断颜色、纹理坐标、雾化坐标等；

输出是片断颜色和深度缓冲区深度值。Fragment program一般来说需要完成纹理混合等任务。

3.3.2 arbfp10虚拟机

arbfp10虚拟机的框图如图-3.5所示。

（图-3.5，arbfp10虚拟机）

与arbvp10虚拟机类似，arbfp10虚拟机也可以看作是一个基于寄存器的向量处理器。arbfp10虚拟机中同样没有内存的概念，所有的数据都保存在寄存器中。所有的寄存器都是四分量浮点寄存器。arbfp10虚拟机包括四种寄存器：片断属性寄存器、片断结果寄存器、临时寄存器与程序参数寄存器。

arbfp10虚拟机至少支持10个片断属性寄存器。这些寄存器可以通过表-3.5中的寄存器名直接访问。

片断属性寄存器名

ary

rd [n]

分量

（r, g, b, a）

（s, t, r, q）

（f, 0, 0, 1）

说明

片断主颜色

片断从颜色

纹理坐标，对应纹理单元 0

纹理坐标，对应纹理单元 n

片断雾化坐标

（x, y, z, 1/w）片断在窗口中的位置

（表-3.5，片断属性寄存器名）

片断属性寄存器也可以通过申明绑定到某一个片断属性寄存器的属性变量访问，例如：

ATTRIB clr = ; # clr 等价于。

片断属性寄存器是fragment program的输入，是只读寄存器。

arbfp10虚拟机至少支持10个片断结果寄存器。这些寄存器可以表-3.6中的寄存器名直接访问。

片断结果寄存器名

分量描述

（r, g, b, a）片断输出颜色

（*, *, d, *）片断深度

（表-3.6，片断结果寄存器）

也可以通过申明绑定到某一个片断结果寄存器的输出变量访问，例如：

OUTPUT finalClr = ; # finalClr等价于。

片断结果寄存器是fragment program的输出，是只写寄存器。

arbfp10虚拟机至少支持16个临时寄存器。临时寄存器的值在fragment program激活时无定义，也不能在fragment program的两次运行间共享。它们一般用于保存fragment program运行过程中的临时运算结果。临时寄存器通过申明临时变量使用：

TEMP temp0, temp1, temp2; # 申明了三个绑定到三个临时寄存器的临时变量。

arbfp10虚拟机至少支持24个程序参数寄存器。程序参数寄存用于为fragment program提供执行所需要的只读参数。程序参数寄存器通过申明PARAM变量使用。需要指出的是PARAM类型的变量必须在申明的时候进行初始化，这一个初始化过程称为程序参数寄存器的显式绑定，即将这一PARAM变量绑定到某一个常量。程序参数寄存器可以绑定到四种量（可绑定量）：即常量、程序局部参数、程序环境参数和OpenGL状态变量。下面具体讨论每一种可绑定量及其绑定规则。注意除了显式绑定外还有隐式绑定。即对于shader中直接使用的一个可绑定量，系统会自动申明一个匿名PARAM变量绑定到该可绑定量。

1）常量绑定。PARAM变量通过如下方式绑定到常量：

PARAM par1 = 1.0; # par1 的值成为 {1.0，1.0，1.0，1.0}

PARAM par2 = {1.0，2.0，3.0，4.0}; # par2的值成为 {1.0，2.0，3.0，4.0}

2）程序局部参数。常量的值只能在fragment program内部设置。如果要从fragment

program外部提供常量值，则需要通过程序局部参数实现。OpenGL应用通过glProgramLocalParameter可以为某一个特定的fragment program设置最多达24个程序局部参数，这些参数只对该fragment program有效。Fragment program通过申明绑定到一个或多个程序局部参数的PARAM变量来访问该参数。

PARAM par = [8];

PARAM b [2] = [4..5];

3）程序环境参数。程序环境参数与程序局部参数类似，但程序环境参数通过glProgramEnvParameter设置并且对所有的fragment program有效。Fragment program通过申明绑定到一个或多个程序环境参数的PARAM变量来访问该参数。

PARAM a = [8];

PARAM b [2] = [4..5];

4）OpenGL状态变量。用户可以通过申明绑定到表-3.7中的状态变量访问OpenGL状态变量。

状态变量名

材质状态变量：

ess

光源状态变量：

[n].ambient

分量

（r, g, b, a）

描述

正面材质环境反射系数

正面材质漫反射系数

正面材质镜面反射系数

正面材质镜面高光系数

正面材质的相关系数（* 同上）

反面材质的相关系数（* 同上）

光源 n 的环境光强

[n].diffu

[n].specular

[n].position

[n].attenuation

（r, g, b, a）

（x, y, z, w）

（a, b, c, e）

光源 n 的满反射光强

光源 n 的镜面反射光强

光源 n 的位置

光源 n 的衰减系数和聚光灯指数

[n].ion

（x, y, z, c）光源 n 的聚光灯方向和衰减角余弦

（x, y, z, 1）光源 n 的无限半角

[n].half

（r, g, b, a）光照模型的环境光强

光照模型的正面场景光强

olor

（r, g, b, a）

rod [n].ambient

rod [n].diffu

rod [n].specular

rod [n].front.*

rod [n].back.*

雾化状态变量：

深度状态变量：

矩阵状态变量：

iew [n]

tion

e [n]

（r, g, b, a）

（d, s, e, r）

（n, f, d, l）

光照模型的正面场景光强

光照模型的反面场景光强

雾颜色

雾化系数

深度范围

模型观察矩阵 n

投影矩阵

模型观察-投影矩阵

纹理矩阵 n

模型观察矩阵调色板 n

顶点程序矩阵 n

m [n]

（表-3.7，可绑定的OpenGL状态变量）

例如，可以通过如下方式申明绑定到当前材质的环境反射系数状态变量的PARAM变量：

PARAM ambient = t;

3.3.3 arbfp10指令集

arbfp10虚拟机线性执行当前fragment program。一个fragment program最多允许包含72条指令（或更多，由具体的的OpenGL实现确定）。其中算术指令不能超过48条，纹理指令不能超过24条。arbfp10虚拟机支持33条指令。其中29条是SIMD算是指令，4条是纹理指令。这些指令的操作数可以是标量，也可以是四分量向量。指令执行的结果可以是一般向量，也可以是由标量重复扩展而成的向量。当操作数是向量时，对向量四个分量的运算同时

进行。arbfp10指令的一般格式是：

Opcode dst, [-]s0 [,[-]s1[,[-]s2]]; # 注释，[ ] 表示可选。

例如：

MOV R2, R2;

MAD R1, R2, R3, -R4;

表-3.8列出了33条指令的格式和简单说明，其中 v 表示向量，s表示标量，ssss表示由标量重复扩展而成的向量，a表示单一的地址寄存器分量：

指令目的操作数源操作数

ABS

ADD

CMP

COS

DP3

DP4

DPH

DST

EX2

FLR

FRC

LG2

LIT

LRP

MAD

MAX

MIN

MOV

MUL

POW

RCP

RSQ

SCS

SGE

SIN

SLT

SUB

SWZ

XPD

KIL

TEX

TXB

TXP

ssss

ss--

ssss

v, v

v, v, v

v, v

v, v, v

v, v

s, s

v, v

v, u, t

说明

求绝对值

相加（按分量）

条件赋值（按分量）*

计算余弦 *

三分量点积

四分量点积

齐次点积

计算距离向量

计算底数为2的指数

计算比v小的最大整数（按分量）

计算v的小数部分（按分量）

计算底数为2的对数

计算光照计算系数

线性插值 *

先乘后加

计算最大值（按分量）

计算最小值（按分量）

赋值

相乘（按分量）

计算指数

计算倒数

计算平方根的倒数

同时计算正弦与余弦 *

大于等于时置位（按分量）

计算正弦 *

小于时置位（按分量）

相减（按分量）

扩展的分量下标置换

计算叉积

终止Fragment Program运行 *

纹理抽样 *

带偏移的纹理抽样 *

纹理坐标投影后抽样 *

v v, u, t

（表-3.8，带 * 的指令只能用于 Fragment Program）

源操作数可以取反。例如，假设 R1 = {1, 2, 3, 4}，那么执行下面的指令后，R0的值为：

MOV R0, -R1; # R0 = {-1, -2, -3, -4}。

作为源操作数的的向量操作数可以进行分量下标置换操作。例如，假设 R1 = {1, 2, 3, 4}，那么执行下列指令后，R0的值分别为：

MOV R0, R1; # R0 = {1, 2, 3, 4}。

MOV R0, R1.y; # R0 = {2, 2, 2, 2}。

MOV R0, ; # R0 = {2, 3, 4, 1}。

作为目的操作数的向量操作数可以设置可写掩码。例如，假设R0 = {0, 0, 0, 0}，R1 = {1, 2, 3,

4}，那么执行下面的指令后，R0的值为：

MOV , R1; # R0 = {1, 2, 0, 0}。

3.3.4 一个简单的arbfp10程序

！！ARBfp1.0

TEMP temp; # temporary.

ATTRIB tex0 = rd [0];

OUTPUT out = ;

TEX temp, tex0, texture [0], 2D; # Fetch texture.

MOV out, temp; # Output result fragment color.

END

（图-3.6，arbfp10着色程序）

上面的程序根据纹理坐标访问纹理，然后将纹理抽样值作为片断的颜色输出。

3.4 arbvp20与arbfp20 着色语言

arbvp10/arbfp10虚拟机的一个重要的特点是它们不支持任何类型的转移指令，包括绝对转移指令、条件转移指令和过程调用与返回指令。这一特点准确的反映了arbvp10/arbfp10虚拟机所面向的早期图形处理器较弱的的硬件处理能力。对于简单的着色程序来说，线性执行的编程模型可以满足大多数需求。但是复杂的图形应用，特别是要达到电影集并渲染效果的实时图形应用需要编写复杂的着色程序。另一方面，图形处理器正在逐渐向着一般的流处理器发展，图形处理器可以支持的指令集也越来越接近微处理器指令集。为此，需要定义与之匹配的具有更强能力的虚拟机。与arbvp10/arbfp10的发展类似，各个硬件厂商提出了自己的OpenGL扩展（例如nVidia的NV_VERTEX_PROGRAM2 [nvvp20]）来定义这一虚拟机。为了解决图形程序员需要支持不同扩展的问题，OpenGL ARB目前正在着手制定arbvp20/arbfp20扩展来统一不同的扩展。由于arbvp20/arbfp20标准还未公布，我们只能结合NV_VERTEX_PROGRAM2扩展和arbvp10/arbfp10标准来预测可能的arbvp20/arbfp20标准。

NV_VERTEX_PROGRAM2（下面简单表示为nvvp20）是nVidia公司提出的面向nVidia最新图形处理器芯片NV3X的OpenGL扩展。考虑到nVidia公司在arbvp10制订过程中所起的作用，可以相信arbvp20将具有很多nvvp20的特性。Nvvp20对于arbvp10最重要的扩展是增加了无条件转移、条件转移和过程调用与返回指令。这样，用nvvp20编写的着色程序就可以具有非常复杂的结构和功能。

为了支持转移指令，nvvp20增加了一个四分量条件码寄存器CC，三条转移指令（BRA,

CAL和RET）以及对标号语句的支持。同时对于每一条算术指令，nvvp20还增加了一个会修改条件码寄存器CC的对应版本。

条件码寄存器CC的四个分量可以是下列枚举值之一：

GT（大于），EQ（等于），LT（小于），UN（无序）

这些分量的初始值都为EQ。当执行一条会修改CC寄存器的指令时，图形处理器会根据运算结果的每一分量与0的大小关系设置CC寄存器的相应分量。之后转移指令就可以根据CC寄存器的内容确定是否进行转移。

转移指令的一般格式是：

BRA <标号> [<转移条件>];

其中标号是定义在着色程序中某处的标号，标号可以在转移语句之前，也可以在转移语句之后。下表是一些有效的转移条件及其含义。

转移条件

LT.x

含义

CC寄存器的任一分量为GT时转移

CC寄存器的任一分量为EQ时转移

CC寄存器的x分量为LT时转移

CC寄存器的任一分量为GT时转移

CC寄存器的y, z, w分量中任一为LT时转移

空无条件转移

（表-3.9，转移条件）

下面是一个使用转移指令的例子：

MOVC CC, c [0]; # c [0] = （-2, 0, 2, NaN），CC 值为（LT, EQ, GT, UN）。

BRA Label1 （）;

MOV R0, R1; # 不会执行。

Label1:

BRA Label2 （）;

MOV R0, R2; # 语句会执行。

Label2:

容易看出第一个条件转移指令会转移到Label1，但第二个条件转移指令不会转移到Label2。

过程调用语句的格式类似于转移指令，可以无条件调用过程也可以条件调用过程。同样过程返回指令也可以无条件或者条件返回。nvvp20限制过程调用不能超过四层，一旦图形处理器检测到超过四层的过程调用就会自动结束vertex program的执行。

nvvp20还限制一个vertex program程序的所占的指令槽数不能超过256，一次运行执行的全部指令数不能超过64K。

我们可以把nvvp20的上述指令添加到arbvp10与arbfp10虚拟机中，构造一个假想的arbvp20与arbfp20虚拟机做为glslang编译器gcx的编译目标机器。

3.5 小结

本章介绍的四个虚拟机arbvp10、arbfp10、arbvp20与arbfp20将是glslang编译器gcx的四个编译目标机器。arbvp10/arbfp10不支持转移指令，只能从头线性执行着色程序；而arbvp20/arbfp20支持动态转移指令，能够支持复杂的控制流结构。我们将使用不同的技术将HLSL shader转换为可以在上述四个虚拟机上执行的LLSL shader。

第四章高级着色语言

4.1 概述

正如通用处理器上的软件开发从汇编语言程序设计逐渐过渡到高级语言程序设计一样，着色程序开发也在经历着同样的过程。低级着色语言虽然能够满足大多数图形应用的需要，允许开发者写出性能最好的着色程序，以最大程度的利用图形处理器的硬件能力，但是它不可避免的具有下述问题：

1）对底层图形硬件具有强烈的依赖性。虽然DirectX，OpenGL等3D API可以通过

定义虚拟机抽象底层硬件的体系结构，但是正如我们所看到的，用他们编写着色程序仍然不的不选择某一个具体版本的低级着色语言来匹配底层的图形硬件。

2）低级着色语言难以学习，开发效率较低。难学习，难使用是汇编语言的通性，而

图形处理器的向量体系更加增大了学习和使用的难度。

3）无法直接利用大量现存的Renderman shader。

4）不能利用广泛使用的各种优化编译技术，开发者必须手工优化汇编代码。

为此，高级着色语言进入研究者的视野。2001年Pat Hanrahan等在siggraph上提出了一个实时过程着色系统：斯坦福着色系统 [Pat2001]。该系统由三部分组成，第一部分是对可编程图形流水线的一个抽象，第二部分是一个类似于Renderman着色语言的高级着色语言，第三部分是一个支持多后端的后端编译器。此后不久，商业化的高级着色语言相继出现，它们是Cg、DirectX HLSL与和OpenGL glslang。Cg由nVidia公司和微软公司联合开发而成，是一种增加了向量与矩阵处理能力的类C语言。Cg的设计目标是成为一种通用的面向硬件的语言。它既可以用来开发用于渲染的着色程序，也可以用来开发在图形处理器上运行的科学计算程序。Cg是一个跨平台的高级着色语言，通过定义不同的配置（profile），Cg编译器可以为不同的低级着色语言后端生成代码，既支持DirectX的所有版本的低级着色语言，也支持OpenGL的所有版本的低级着色语言，同时还支持nVidia专有的所有版本的低级着色语言。DirectX HLSL类似于Cg，但是它的后端仅支持DirectX的各个版本的低级着色语言。

glslang是OpenGL Shading Language的简称，它是OpenGL 2.0规范的一部分，是OpenGL平台上的高级着色语言。glslang在OpenGL管理委员会的监督下，由3D Labs公司制定规范和提供参考实现。glslang的设计目标是能够体现当前和未来图形硬件能力，易于使用，功能强大，可以明显减少日渐增加的OpenGL扩展数目。本文的主要研究对象就是glslang及其优化编译技术。

4.2 glslang简介

4.2.1 glslang程序运行环境

glslang与OpenGL 2.0规范紧密联系。下面是制订中的OpenGL 2.0逻辑框图。

（图-4.1 OpenGL 2.0逻辑框图）

在OpenGL 2.0中，可编程的顶点处理器取代了固定功能的顶点处理模块；可编程的片段处理器取代了固定功能的片段处理模块。用户可以用glslang编写运行在顶点处理器之上的程序，称为顶点着色程序（vertex program）；或者用glslang编写运行在片断处理器之上的程序，称为片断着色程序（fragment program）。当然，用户可以继续使用OpenGL内置的固定功能渲染模块。用于编写vertex program与fragment program的glslang略有区别，所以事是上存在两种glslang语言。根据运行的处理器不同，可以分为vertex glslang和fragment glslang。当然，这两种语言仍然具有相当多的共性，除了一些微妙的区别，我们仍然可以把它们看作是同一种语言。为了管理OpenGL 2.0应用中用到的着色程序，OpenGL 2.0规范引入了program对象和shader对象的概念。运行在顶点或者片断处理器上的一个完整的程序称为program对象，一个program对象由一个或多个shader对象组成。Shader对象是一个独立的可编译单元，类似于C语言中的一个源文件。与glslang语言类似，program对象与shader对象也有vertex和fragment的区别。组成program对象的各shader对象必须与被组成的program对象具有相同的类型。要在OpenGL 2.0应用中使用program对象，首先要把组成program对象的shader对象附着到program对象之上，然后对program对象进行编译，之后对编译后的program对象进行连接。

顶点处理器用于进行顶点变换、法向量变换与归一化、纹理坐标生成与变换、光照计算等操作。图-4.2是顶点处理器的逻辑框图。

（图-4.2 顶点处理器逻辑框图）

图-4.2的左边部分是vertex program的输入，也即顶点属性。OpenGL 2.0定义了两种顶点属性：传统顶点属性和一般顶点属性。与arbvp10语言不同，vertex glslang中的这两种顶点属性是互不影响的。在OpenGL程序中，传统顶点属性通过glVertex，glNormal等设置，一般顶点属性通过glVertexAttrib设置。经优化编译后的vertex program中真正访问的顶点属性称为活跃属性（无论是传统还是一般顶点属性），一个vertex program中的活跃顶点总数不能超过MAX_VERTEX_ATTRIBS_ARB（16）。在vertex program中，传统顶点属性通过内置的顶点属性变量访问，一般顶点属性通过用户定义的属性变量访问。图-4.2的右边部分是vertex program的输出。vertex program可以通过内置的特殊变量（special variables）和插值变量（varying variables）输出，也可以通过用户定义的插置变量输出，但是不管用什么方式输出，必须写内置特殊变量gl_Position。图-4.2中间上方的uniform表示顶点处理器中的uniform寄存器。这些寄存器用于设置在渲染一个或多个几何基元（primitive）时保持不变的常量值。这些值由OpenGL 2.0应用在vertex program之外设置。用户在vertex program中可以申明uniform变量来访问uniform寄存器中保存的的值。OpenGL 2.0也定义了内置uniform变量来提供对常量和OpenGL状态变量的访问。经优化编译后的vertex program中真正用到的uniform变量称为活跃uniform变量。活跃uniform变量所占单一浮点空间的的总数不能超过MAX_VERTEX_UNIFORM_COMPONENTS_ARB（512）。OpenGl 2.0对vertex

program的指令数和临时寄存器使用数没有限制。

片断处理器用于进行纹理访问、纹理混合、雾化等操作。图-4.3是片断处理器的逻辑框图。

（图-4.3 片断处理器逻辑框图）

图-4.3的左边部分是fragment program的输入，也即片断属性，片断属性都是插值变量。片断属性由光栅化模块对vertex program或者固定顶点处理模块生成的顶点数据进行插值生成。片断属性有两种：内置插值变量和自定义插值变量。内置插值变量通过表-4.7中的插值变量名访问。自定义插值变量通过在vertex program和fragment program中定义同名插值变量访问。图-4.3的右边部分是fragment program的输出，称为片断输出。片断输出通过表-4.8中的特殊变量名访问。输出值将传递给OpenGL 2.0渲染流水线的后续模块进行处理。图-4.3中间上方的uniform与vertex program中的uniform意义相同，但是最大活跃uniform变量数为MAX_FRAGMENT_UNIFORM_COMPONENTS_ARB（64）。OpenGL 2.0对fragment

program的指令数和临时寄存器使用数也没有限制。

4.2.2 glslang程序例子

图-4.4是一个简单的vertex program的例子：

varying vec3 Normal; // output.

#define MVP gl_ModelViewProjectionMatrix

#define MV gl_ModelViewMatrix

#define MV_IT gl_NormalMatrix

void main（void）

{

}

（图-4.4，Vertex Program）

图-4.5是一个简单的fragment program的例子：

varying vec3 Normal; // input.

uniform vec3 LightColor; // Light color.

uniform vec3 LightPos; // Light position.

void main（void）

{

vec3 color = LightColor;

color *= max（0.0，dot（normalize（Normal），LightPos））;

gl_FragColor = vec4（color，1.0）;

}

gl_Postion = MVP * gl_Vertex;

Normal = normalize（MV_IT * gl_Normal）;

（图-4.5，Frgment Program）

容易看出，glslang与C语言具有极大的类似性。事实上，glslang规范就是在C语言和Renderman 着色语言的基础上制定而成的，这也是其它高级着色语言所采用的策略。

4.3 glslang变量与数据类型

4.3.1 glslang数据类型

数据类型

void

bool

int

float

vec2

vec3

vec4

说明

用于申明不返回任何数据的函数

布尔类型，值为true或者fal

有符号整数

浮点标量

二分量浮点向量

三分量浮点向量

四分量浮点向量

表-4.1列出了glslang支持的基本数据类型。

bvec2

bvec3

bvec4

ivec2

ivec3

ivec4

mat2

mat3

mat4

sampler1D

sampler2D

sampler3D

samplerCube

sampler1DShadow

二分量布尔向量

三分量布尔向量

四分量布尔向量

二分量整数向量

三分量整数向量

四分量整数向量

2×2浮点矩阵

3×3浮点矩阵

4×4浮点矩阵

用于访问一维纹理

用于访问二维纹理

用于访问3维纹理

用于访问立方映射纹理

用于带比较访问一维深度纹理

sampler2DShadow

用于带比较访问二维深度纹理

（表-4.1，glslang的基本数据类型）

除了表-4.1中的基本数据类型外，glslang还支持两种聚合数据类型：结构和数组。glslang中数据类型的语法和语义与C语言基本相同，但也存在一些的区别。在glslang中，底层硬件也许不能直接支持bool和int类型。int类型为16位精度，float精度为IEEE单精度浮点。Matrix类型按列存储。结构类型不支持匿名成员，不支持前向引用，也不支持位域，同时内嵌定义的结构类型局限于包含它的结构类型之内。数组仅支持一维数组。Sampler变量只能申明为uniform变量或者函数参数，并且是只读的，它的值由OpenGL 2.0应用设置以绑定到具体的纹理。变量可以用与C语言类似的语法在申明时初始化，也可以用构造器进行初始化。下面是一些变量申明的例子：

bool bSuccess;

int i, j = 42;

float a, b = 1.5;

vec4 vColor = vec4（0.3, 0.4, 0.4. 1）;

mat4 mView;

struct light

{

float intensity;

vec3 position;

};

float freqs [3];

light lights [4];

4.3.2 作用域

glslang的作用域规则与C语言相同。

4.3.3 类型修饰符

类型修饰符

const

attribute

varying

uniform

out

inout

说明

用于申明局部变量或者函数形参

用于申明常量类型或者只读函数形参

用于申明顶点属性变量，只用用于全局范围

用于申明插值变量，只能用于全局范围

用于申明不变变量，只能用于全局范围

用于申明函数只读形参

用于申明函数只写形参

用于申明函数读写形参

表-4.2列出了glslang支持的类型修饰符（type qualifiers）。

（表-4.2，类型修饰符）

全局变量只能使用const、attribute、uniform或者varying修饰符。不使用或者使用const修饰符的全局变量可以在申明时初始化。未初始化的全局变量在进入main函数时其值无定义。Attribute变量用于向vertex program传递顶点属性。Varying变量由vertex program按每顶点设置，经光栅化模块插值后按每片断传递给fragment program。Uniform变量用于设置程序运行所需的外部参数和访问OpenGL常量、状态变量以及纹理抽样器。局部变量只能使用const修饰符。函数形参只能使用in、out、inout和const修饰符。

4.4 glslang运算符与表达式

glslang支持绝大多数C语言运算符，但是不支持与指针相关的运算符，也不支持强制类型转换（cast）运算符。glslang数组的访问方法与支持的运算符和C语言类似，但是数组下标必须是整型表达式。glslang结构的访问方法与支持的运算符和C语言类似，但是支持

== 与 != 运算符。

向量类型的分量用类似于访问结构成员变量的方式访问。向量的分量名如表-4.3所示。三种分量名都可以用于访问同一个向量的分量，但是不能混合使用。也可以把向量看作是数组，用访问数组的方式访问。

分量名说明

{x, y, z, w}

一般用于访问代表位置和法向量的向量

一般用于访问表示代表颜色的向量

{r, g, b, a}

一般用于访问代表纹理坐标的向量

{s, t, p, q}

（表-4.3，向量分量名）

下面是一些正确和错误的访问向量分量的例子：

vec4 pos;

vec3 normal;

vec4 color;

pos.x;

;

// 正确

// 正确，分量名可以置换

; // 正确，分量名可以复制，但是这种形式只能用于右值

; // 正确

pos [3]; // 正确，访问 z 分量

; // 不正确，不能混合使用分量名

; // 不正确，normal没有第四个分量。

矩阵的分量可以通过数组访问方式访问。例如：

mat4 m;

m [1]; // 访问矩阵的第二列向量

m [0][0]; // 访问矩阵的左上角元素

作用于向量和矩阵的一元运算都按分量运算。对于标量与向量或者矩阵相乘，运算结果是标量乘以向量或者矩阵的每一个分量。对于向量左乘矩阵、矩阵左乘向量和矩阵乘以矩阵，按照线性代数中的向量矩阵乘法运算。除此之外的二元运算都是按分量运算，且必须作用于同类型的量。

glslang引入了C++语言中的构造器（Constructor）来进行类型转换和对复杂类型进行初始化、赋值。下面是一些构造器使用的例子：

bool b = fal;

int n = int（b）; // bool 转换成整数

float f = 0.0;

vec3 v3 = vec3（f）; // 用 f 的值初始化v3的三个分量

vec4 v4 = vec4（v3，f）; // v4的前三个分量初始化成v3的相应分量，第四个分

量初始化成f

glslang的表达式类似于C语言中的表达式，但是不支持隐式类型转换。

4.5 glslang语句与程序结构

一个shader（glslang的编译单元）的结构与C语言的一个源文件类似。但是glslang也引入了一些C++语言的特性，包括用时定义变量和函数重载。

函数调用按value-return规则传递参数。对于in参数，实参的值在调用函数时复制到函数的形参；对于out参数，形参的值在函数返回时复制到实参。实参按照从左向右的顺序求值。递归（直接或者间接）调用会导致未定义的结果。

glslang支持选择语句（if，if-el），循环语句（for，while-do，do-while）和结构化转移语句（continue，break，return，discard），但是不支持switch语句。前述语句除了discard语句外，语法和语义与C语言中的相应语句相同。discard语句只能用在fragment program中，执行该语句将立刻终止对当前片断的处理，也不会更新帧缓冲区。

4.6 glslang内置变量与函数

4.6.1 glslang内置顶点属性

表-4.4所列是glslang的内置顶点属性，它们都是特殊变量。Vertex program通过这些变量访问传统顶点属性。

内置顶点属性

gl_Color

类型

vec4

说明

顶点主颜色

gl_SecondaryColor vec4

gl_Normal Vec3

顶点从颜色

顶点法向量

顶点坐标

gl_Vertex vec4

gl_MultiTexCoord0 vec4

顶点纹理坐标，对应纹理单元0

gl_MultiTexCoord7 vec4

顶点纹理坐标，对应纹理单元7

顶点雾化坐标

gl_ForCoord vec4

（表-4.4，glslang内置顶点属性）

4.6.2 glslang内置顶点输出

glslang的内置顶点输出有两类。一类是特殊变量，见表-4.5，vertex program通过这些变量名与OpenGL 2.0的固定流水线处理模块通讯。另一类是插值变量，见表-4.6，vertex

program通过这些变量名与OpenGL 2.0的固定流水线处理模块和fragment program通讯。

内置顶点输出类型是否必须写说明

是定点齐此空间坐标

gl_Position vec4

否点大小

gl_PointSize Float

否

gl_ClipVertex vec4

（表-4.5，glslang内置顶点输出，特殊变量）

内置顶点输出类型说明

gl_FrontColor vec4

正面顶点主颜色

gl_BackColor vec4

背面顶点主颜色

gl_FrontSecondaryColor vec4

正面顶点从颜色

gl_BackSecondaryColor vec4

背面顶点从颜色

gl_TexCoord [] Vec4

顶点纹理坐标

gl_FogFragCoord float

顶点雾化坐标

（表-4.6，glslang内置顶点输出，插值变量）

4.6.3 glslang内置片断属性

表-4.7所列是内置片断属性，它们都是插值变量。Fragment program 通过这些变量获得输入片断的属性。

内置片断属性

gl_Color

类型

vec4

说明

片断主颜色

gl_SecondaryColor vec4

片断从颜色

gl_TexCoord [] vec4

片断纹理坐标

gl_FogFragCoord float

片断雾化坐标

（表-4.7，glslang内值片断输入）

4.6.4 glslang内置片断输出

表-4.8所列是glslang的内置片断输出，它们都是特殊变量。Fragment program通过这些变量与后续的OpenGL 2.0处理模块通讯。

内置片断输出类型

gl_FragCoord vec4

说明

片断坐标

gl_FrontFacing Bool

片断所在面的朝向

片断颜色

gl_FragColor vec4

片断深度

gl_FragDepth Float

（表-4.8，glslang内置片断输出）

4.6.5 glslang内置常量与内置uniform状态变量

glslang还提供了内值常量和内值uniform状态变量以允许glslang shader程序访问OpenGL状态和实现相关常量。这里不详细列出这些变量，具体可以参考glslang规范。

4.6.6 glslang内置函数

glslang还提供了大量用于标量和向量操作的内置函数。glslang shader应当经量使用内置函数，因为底层的图形硬件可以提供对这些函数硬件加速。glslang内置函数可以分为如下几类：三角函数、指数函数、通用函数、几何函数、矩阵函数、向量关系函数、纹理访问函数、片断函数和噪音函数。这里不详细列出，具体可以参考glslang规范。