Uniform变量

https://zhuanlan.zhihu.com/p/569758915

uniform变量¶

uniform是全局的(Global)。全局意味着uniform变量必须在每个着色器程序对象中都是独一无二的，而且它可以被着色器程序的任意着色器在任意阶段访问。
无论你把uniform值设置成什么，uniform会一直保存它们的数据，直到它们被重置或更新。
如果你声明了一个uniform却在GLSL代码中没用过，编译器会静默移除这个变量，导致最后编译出的版本中并不会包含它，这可能导致几个非常麻烦的错误。
给uniform变量添加数据：我们首先需要找到着色器中uniform属性的索引/位置值。当我们得到uniform的索引/位置值后，我们就可以更新它的值了。
我们用glGetUniformLocation查询uniform ourColor的位置值。我们为查询函数提供着色器程序和uniform的名字（这是我们希望获得的位置值的来源）。如果glGetUniformLocation返回-1就代表没有找到这个位置值。
我们可以通过glUniform4f函数设置uniform值。注意，查询uniform地址不要求你之前使用过着色器程序，但是更新一个uniform之前你必须先使用程序（调用glUseProgram)，因为它是在当前激活的着色器程序中设置uniform的。

全局亦是，有专门的函数将该结果传给GPU或CPU。

Uniform数据块¶

类似C语言的结构体，当创建了一个结构体之后，对应缓存就会产生一个数据块，这个数据块对应了你定义的结构体实体。在CPU与GPU之间也存在这样的数据块，那就是uniform数据块和buffer数据块。

如果CPU和GPU之间传递单一Uniform变量，

只需要在着色器中写如下代码，例如顶点着色器

C++

#version 450
layout (location = 0) in vec4 vPos;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

void main()
{
    gl_position = projection * view * model * vec4(vPos,1.0f);
}

代码定义了三个uniform变量，model view projection，用来对输入的顶点数据进行矩阵变换。

在CPU执行的代码中，首先通过

C++

glGetUniformLocation(program,"model")

类似上述的gl函数获得model名称对应的location，然后使用

C++

glUniformMatrix4fv(location , 1 ,GL_FALSE,data);

这样的方式来传递数据到着色器。

上述方式是比较简单的方法，那么如果需要使用数据块的方式批量传入数据到GPU怎么办呢？也许uniform块的东西就开始有用起来了。

定义uniform块的方式如下，修改着色器代码

C++

#version 450
layout (location = 0) in vec4 vPos;

uniform matBlock{
    mat4 model;
    uniform mat4 view;
    uniform mat4 projection;
};

void main()
{
    gl_position = projection * view * model * vec4(vPos,1.0f);
}

红宝书上说，如果给matBlock添加了新的名字matBlockName，那么着色器就可以使用'.'操作符来访问成员，否则只能通过名字来访问。

对于uniform的布局，我认为我还处于初级阶段，暂时不需要考虑布局的问题，可以通过

layout (...) 修饰符来控制uniform的布局问题，见红宝书P46

笔者认为，重要的是CPU和GPU用相同的方式解析一段内存，如果着色器和CPU代码保持默认的布局方式那么不会影响uniform数据块的数据传递。

到此，使用uniform块传递数据的工作，运行在GPU端的着色器代码完成了，接下来考虑CPU端如何访问。

应用程序访问uniform块¶

C

GLint UBOSize;
enum{
    enum_model=0,
    enum_view,
    enum_projection,
    NumberOfUniform,
};
void uinformBlockInit(void){
    //获取uniform块的index
    matblockPos = glGetUniformBlockIndex(program , "matBlock");

    //获得uniform块的大小
    glGetActiveUniformBlockiv(program,matblockPos,GL_UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE,&UBOSize);
    printf("uniform size = 0x%x\r\n",UBOSize);

    //创建uniform块大小的buffer空间
    GLvoid * buffer = malloc(UBOSize);

    if(buffer == NULL){
        printf("malloc failed\r\n");
    }else{
        printf("malloc success\r\n");
    }

    //初始化需要写入的值
    glm::mat4 model;
    model = glm::translate(model, glm::vec3( 0.0f,  0.0f,  0.0f));

    glm::mat4 projection;
    projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), 800.0f / 600.0f, 0.1f, 100.0f);

    glm::vec3 cameraPos   = glm::vec3(0.0f, 0.0f,  3.0f);
    glm::vec3 cameraFront = glm::vec3(0.0f, 0.0f, -1.0f);
    glm::vec3 cameraUp    = glm::vec3(0.0f, 1.0f,  0.0f);

    glm::mat4 view;
    view = glm::lookAt( cameraPos,
                        cameraPos + cameraFront,
                        cameraUp);
    //建立变量名称数组
    const char * names[NumberOfUniform] = 
    {
        "model",
        "view",
        "projection",
    };

    //查询每个uniform成员对应的属性

    GLuint indices[NumberOfUniform];
    GLint size[NumberOfUniform];
    GLint offset[NumberOfUniform];
    GLint type[NumberOfUniform];

    glGetUniformIndices(program,NumberOfUniform,names,indices);
    glGetActiveUniformsiv(program,NumberOfUniform,indices,GL_UNIFORM_OFFSET,offset);
    glGetActiveUniformsiv(program,NumberOfUniform,indices,GL_UNIFORM_SIZE,size);
    glGetActiveUniformsiv(program,NumberOfUniform,indices,GL_UNIFORM_TYPE,type);

    for(GLuint i = 0 ; i< NumberOfUniform ; i++){
        printf("\r\n-------------------------\r\n");
        printf("uniform name  = %s \r\n", names[i]);
        printf("uniform indices = %d \r\n",indices[i]);
        printf("uniform offset = %d\r\n",offset[i]);
        printf("uniform size = %d\r\n",size[i]);
        printf("uniform type = 0x%x\r\n",type[i]);
    }

    /* 将数据存入buffer 
     * mat4 是长度是 4 * 4 个 GLfloat, GLfloat的大小是4个字节
     */
    memcpy(buffer + offset[enum_model] ,glm::value_ptr(model),size[enum_model] * 16 * 4);
    memcpy(buffer + offset[enum_view] ,glm::value_ptr(view),size[enum_view] * 16 * 4);
    memcpy(buffer + offset[enum_projection] ,glm::value_ptr(projection),size[enum_projection] * 16 * 4);

    /*创建GL_UNIFORM_BUFFER类型的buffer */
    glGenBuffers(1,&vbo_uniform);
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER,vbo_uniform);
    glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER,UBOSize,buffer,GL_STATIC_DRAW);

    //绑定VBO和uniform块
    glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER,matblockPos,vbo_uniform);

}

如上述代码，应用程序访问uniform块主要有如下几个步骤

通过名称找到着色器对应名称的uniform块的index，glGetUniformBlockIndex函数
通过glGetActiveUniformBlockiv函数根据uniform的index信息获取uniform块的大小信息，为后面CPU在创建和GPU uniform块一样大的内存空间做准备。
CPU这边在堆中获取一块和uniform块一样大的内存空间。
通过glGetUniformIndices函数获取uniform块中每一个成员的index信息，存放在indices[NumberOfUnifrom]中，并且使用glGetActiveUniformsiv函数配合获得的indices[NumberOfUnifrom]信息，获得每一个uniform块中的成员变量的其他基础信息，例如OFFSET，大小，以及成员的数据类型。（官方例程中还给出了根据GL定义的数据类型换算对应大小空间的函数--TypeSize，但是我这边因为想简化代码去掉了这部分函数，我知道mat4是由4 * 4个float型数据构成的，所以一个mat4的长度是 4 * 4 * 4 个字节）
创建VBO，缓存类型是GL_UNIFORM_BUFFER类型，然后将我们需要写入uniform块的数据写入CPU创建的buffer缓存中。同样的使用glBufferData来为这个VBO填入数据，显然，我们将和GPU uniform块同样大小的CPU数据块buffer填入缓存。
最后使用glBindBufferBase函数绑定vbo缓存对象和uniform块的index，完成链接。

上述过程完成后，CPU和GPU就共享了一块内存，达到了使用uniform块传递数据的目的。

OpenGL编程指南（原书第9版）Page 52

glBufferData的第三个参数作者应该是想写 GL_STATIC_DRAW，但是笔误了[狗头]。

小结¶

我原先是使用分立的glUniformMatrix4fv函数来单独的为每一个uniform变量赋值，但是现在改为了使用uinform块进行数据传递，效果和单个的一致，所以我认定我的使用方法是无误的。

这里应该是沿用了C语言结构体相关的理念，按照数据块来完成赋值，传递信息，十分精妙！