Основи GLSL

Що таке GLSL?

GLSL (OpenGL Shading Language) – мова програмування шейдерів для OpenGL. Використовується для написання vertex, fragment, geometry та інших шейдерів, що працюють на GPU.

Оголошення версії

#version 330 core

Вказує версію GLSL. Наприклад, 330 core відповідає OpenGL 3.3.

Вхідні та вихідні змінні

layout(location=0) in vec3 aPos;
layout(location=1) in vec3 aNormal;

out vec3 FragPos;

in – вхідні атрибути (vertex shader).
out – вихідні змінні (vertex shader) або фінальний колір (fragment shader).

Основні типи даних

float, int, bool
vec2, vec3, vec4
mat2, mat3, mat4
sampler2D (текстури)

Тип	Опис	Приклади використання
vec2	Двокомпонентний вектор з типом float.	- Текстурні координати (UV) - 2D позиції - Швидкість у 2D
vec3	Трикомпонентний вектор з типом float.	- Координати позицій у 3D - Нормалі - Колір у форматі RGB
vec4	Чотирикомпонентний вектор з типом float.	- RGBA кольори - Позиції у гомогенних координатах (x, y, z, w) - Передача даних з додатковою інформацією (наприклад, альфа-канал)
mat2	2x2 матриця з типом float.	- Трансформації у 2D (масштабування, обертання)
mat3	3x3 матриця з типом float.	- Трансформації у 3D без врахування перспективи - Робота з нормалями (normal matrix)
mat4	4x4 матриця з типом float.	- Трансформації у 3D з перспективою - Матриці моделі, огляду та проєкції
sampler2D	Тип, що використовується для доступу до 2D текстури.	- Зчитування кольорів з текстури у fragment shader - Використання для матеріалів, normal maps, height maps

Головна функція

void main()
{
    // код шейдера
}

Присвоєння позиції в vertex shader

gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);

Приклад vertex shader

#version 330 core
layout (location=0) in vec3 aPos;
layout (location=1) in vec3 aColor;

out vec3 fColor;

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

void main()
{
    fColor = aColor;
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

Приклад fragment shader

#version 330 core

in vec3 fColor;
out vec4 FragColor;

void main()
{
    FragColor = vec4(fColor, 1.0);
}

Передача uniform змінних

uniform mat4 model;
uniform sampler2D texture1;

Uniform – однакові значення для всіх вершин/фрагментів у кадрі.

Текстурні координати

layout (location=2) in vec2 aTexCoord;

out vec2 TexCoord;

void main()
{
    TexCoord = aTexCoord;
}

Читання текстури у fragment shader

uniform sampler2D texture1;
in vec2 TexCoord;
out vec4 FragColor;

void main()
{
    FragColor = texture(texture1, TexCoord);
}

Основні вбудовані функції

length(v) // довжина вектора
normalize(v) // нормалізація вектора
dot(a, b) // скалярний добуток
cross(a, b) // векторний добуток
mix(a, b, t) // лінійна інтерполяція
clamp(x, minVal, maxVal) // обмеження значення

Типи шейдерів у GLSL

• vertex shader – обробляє кожну вершину моделі, трансформуючи її з локальної системи координат у простір кліпу. Тут зазвичай обчислюються позиції, нормалі, передаються дані у fragment shader.
• fragment shader – виконується для кожного фрагмента (пікселя) трикутника, визначає фінальний колір пікселя, застосовує текстури, освітлення та ефекти.
• geometry shader – працює після vertex shader. Може створювати або змінювати примітиви (точки, лінії, трикутники). Наприклад, для генерації додаткової геометрії (силуети, нормалі, траву).
• tessellation shader – складається з двох частин: tessellation control shader та tessellation evaluation shader. Використовується для динамічного поділу полігонів на дрібніші (тесселяція), що дозволяє створювати деталізовані поверхні без великої кількості вершин у моделі.
• compute shader – універсальний шейдер для загальних обчислень на GPU, не прив’язаний до графічного конвеєра. Використовується для паралельної обробки даних, наприклад, фізичних симуляцій, пост-обробки зображень, ML.

Тип шейдера	Призначення	Приклади використання
Vertex Shader	Обробка кожної вершини: трансформація координат, передача даних у фрагментний шейдер.	- Перетворення моделі у clip space - Обчислення нормалей та напрямків освітлення - Передача UV координат та кольору
Fragment Shader	Обчислює колір кожного фрагмента (пікселя), застосовує освітлення та текстурування.	- Відображення текстур - Освітлення Phong, Blinn-Phong - Пост-обробка (якщо використовується для screen quad)
Geometry Shader	Може змінювати існуючі примітиви або створювати нові (після vertex shader).	- Генерація нормалей для візуалізації - Створення силуетів - Генерація трави, волосся, частинок
Tessellation Shader	Динамічне поділення (тесселяція) полігонів на дрібніші для збільшення деталізації.	- Деталізація поверхонь при близькому огляді - Displacement mapping (зміщення вершин по карті висот) - Реалістична поверхня води або ландшафту
Compute Shader	Загальні паралельні обчислення на GPU, незалежні від графічного конвеєра.	- Фізичні симуляції (fluid dynamics, particles) - Пост-обробка HDR, blur, bloom - Обробка даних у ML (CNN, матричні множення)

Основна структура програми на GLSL

#version ...

// оголошення in/out/uniform

void main()
{
    // основна логіка
}