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Version vom 20. August 2005, 10:30 Uhr

Präambel

Ave und willkommen bei meiner "Einführung" in die recht frische und mit OpenGL1.5 eingeführte Shadersprache "glSlang". In diesem umfangreichen Dokument werde ich versuchen sowohl auf die Nutzung (sprich das Laden und Anhängen von Shadern im Quellcode), als auch auf die Programmierung von Shadern selbst einzugehen, inklusive aller Sprachelemente der OpenGL Shadersprache. Es wird also auch recht viele Informationen zu der C-ähnlichen Programmstruktur und den von glSlang angebotenen Variablen und Attributen gehen. Am Ende dieser Einführung sollten alle die, die sich für das Thema interessieren in der Lage sein zumindest einfach Shader zu schreiben und auch in ihren Programmen zu nutzen. Ausserdem soll dieses Dokument gleichzeitig als ein deutsches "Pendant" zu den von 3DLabs veröffentlichten Shaderspezifikationen, und damit als alltägliches Nachschlagewerk dienen.

Vorkenntnisse

Wie auch schon mein ARB_VP-Tutorial richtet sich auch diese Einführung aufgrund ihrer Thematik eher an die fortgeschritteneren GL-Programmierer und neben sehr guten GL-Kenntnissen sollten sich alle, die sich daran versuchen wollen, mit den technischen Hintergründen der GL, wie z.B. dem Aufbau der Renderpipeline auskennen. Weiterhin sind C-Kenntnisse absolut erforderlich, da die Shader ja in einer an ANSI-C angelehnten Syntax geschrieben werden. Auch Begriffsdefinitionen zu Vertex oder Fragment werden zum Verständis dieser Einführung benötigt. Wer also noch am Anfang seiner GL-Karriere steht, dem wird dieses Dokument nicht viel nützen. Ganz nebenbei solltet ihr auch noch eine gehörige Portion Zeit (am besten nen kompletten Nachmittag) mitbringen, denn die folgende Kost ist nicht nur umfangreich sondern auch manchmal recht schwer verdaulich.

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Was ist glSlang?

Wie Eingangs kurz angesprochen handelt es sich bei glSlang um eine Shadersprache, also um eine Hochsprache in der man die programmierbaren Teile aktueller Grafikbeschleuniger nach eigenem Belieben programmieren kann. Sie stellt quasi den Nachfolger zu den in assembler geschriebenen Vertex- und Fragmentprogrammen (GL_ARB_Vertex_Program/GL_ARB_Fragment_Program) dar und basiert auf ANSI C, erweitert um Vektor- und Matrixtypen sowie einige C++-Mechanismen.

Die in glSlang geschriebenen Programme nennen sich, angepasst an die Termonologie von RenderMan und DirectX, Shader (im Gegensatz zu "Programme" bei ARB_VP/FP) und werden entweder auf Vertexe (VertexShader) oder Fragmente (FragmentShader) angewendet, andere noch nicht programmierbare Teile der GL-Pipeline wie z.B. die Rasterisierung können momentan noch nicht über Shader beeinflusst werden.

Voraussetzungen

glSlang ist ein brandneues Feature, das mit OpenGL1.5 eingeführt wurde, weshalb eine entsprechend moderne Grafikkarte (DX9-Generation) inklusive aktuellster Treiber von Nöten ist. Der Stand zum Zeitpunkt als diese Einführung geschrieben wurde (24.12.2003) ist folgender : ATI hat seit Catalyst 3.10 glSlang-fähige Treiber, deren glSlang-Compiler allerdings noch nicht alle Features unterstützt. Bei 3DLabs ist dieser Fall ähnlich, deren Treiber bieten allerdings schon etwas länger glSlang-Support. NVidia lassen sich diesmal allerdings recht lange Zeit und haben noch keine Treiber am Start die glSlang beherrschen, hier ist also noch etwas Geduld angesagt. Allerdings sollten auch die Kalifornier bald mit glSlang-fähigen Treibern für ihre GeForce FX-Reihe rausrücken.

Natürlich benötigt ihr auch einen passenden OpenGL-Header der die für glSlang nötigen Extensions und Funktionen exportiert. Ich verweise dazu auf unseren internen OpenGL-Header DGLOpenGL.pas der da einwandfrei seine Dienste verrichtet und auch in der Beispielanwendung Verwendung findet.

Neue Extensions

Die GL-Shadersprache "besteht" in ihrer aktuellen Version aus folgenden Extensions, fürs Verständnis wäre es nicht schlecht wenn ihr euch zumindest die Einleitungen dazu durchlest :

• GL_ARB_Shader_Objects (orginal Spezifikation)

Definiert die API-Aufrufe die zum Erstellen, Kompilieren, Linken, Anhängen und Aktivieren von Shader- und Programmobjekten nötig sind.

• GL_ARB_Vertex_Shader (orginal Spezifikation)

Fügt der OpenGL Programmierbarkeit auf Vertexebene hinzu.

• GL_ARB_Fragment_Shader (orginal Spezifikation)

Fügt der OpenGL Programmierbarkeit auf Fragmentebene hinzu.

• GL_ARB_Shading_Language_100 (orginal Spezifikation)

Gibt die unterstützte Version von glSlang an, momentan 1.00.

Objekte

Im Zuge der Vereinheitlichung der GL wird immer häufiger in Objekte gekapselt, deren API dann auch aneinander angelehnt ist. Ziel ist dabei die Programmierung der GL uniform zu machen, so das z.B. zwischen dem Erstellen und Verwalten eines Vertex-Buffer-Objektes oder eines Shader-Objektes kaum ein Unterschied besteht (demnächst kommen dann auch Pixel-Buffer-Objekte). Mit glSlang wurden dann im Zuge dieser Aktion zwei neue Objekte eingeführt, deren Definition ihr euch unbedingt einprägen solltet :

• Programmobjekt

Ein Objekt an das die Shader später angebunden werden. Bietet Funktionalität zum Linken der Shader und prüft dabei die Kompatibilität zwischen Vertex- und Fragmentshader.

• Shaderobjekt

Dieses Objekt verwaltet den Quellcodestring eines Shaders und ist entweder vom Typ GL_VERTEX_SHADER_ARB oder GL_FRAGMENT_SHADER_ARB.

Resourcen

Die Shadersprache ist keinesfalls final und es wurden bereits diverse Ausdrücke für zukünftige Verwendung reserviert, denn ein Ziel bei ihrer Entwicklung war es, sie so zukunftsorientiert zu gestalten das auch Grafikkarten der nächsten und übernächsten Generation voll ausgenutzt werden können. Damit einher geht die Tatsache das sich die Spezifikationen in Zukunft ändern/erweitern werden, weshalb man da immer einen Blick hineinwerfen sollte. Die Anlaufstelle dafür ist natürlich die GL2-Seite von 3D-Labs, wo u.a. auch ein OGL2-SDK und diverse Whitepapers als PDFs angeboten werden, in denen auch stattgefundene Änderungen an glSlang dokumentiert sind.

glSlang im Programm

Bevor wir uns mit der Syntax von glSlang beschäftigen, zeige ich euch erstmal wie ihr Shader in euer Programm einbindet und nutzen tut. Warum das zuerst? Ganz einfach deshalb, weil ihr dann das was ihr im glSlang-Syntaxteil lernt direkt in eurer Testanwendung verwenden könnt. Hoffe diese Entscheidung klingt logisch und findet Anklang.

Zuerst benötigen wir natürlich unsere Objekte. Zum einen ein Programmobjekt, an das unsere Shader gebunden werden, und zwei Shaderobjekte die den Quellcode unseres Vertex bzw. Fragment Shaders aufnehmen. Dazu wurde eigens der neue "Datentyp" glHandleARB eingeführt, der ein Objekthandle repräsentiert. Wir deklarieren also wie folgt :

ProgramObject        : GLhandleARB;
VertexShaderObject   : GLhandleARB;
FragmentShaderObject : GLhandleARB;

Nach dieser Deklaration können wir dann damit beginnen unsere Objekte zu erstellen. Den Anfang macht das Programmobjekt :

ProgramObject        := glCreateProgramObjectARB;

Die Funktion glCreateProgramObjectARB erstellt uns oben ein leeres Programmobjekt und gibt ein gültiges Handle darauf zurück.

Weiter gehts mit der Erstellung unseres Vertex bzw. Fragment Shaders :

VertexShaderObject   := glCreateShaderObjectARB(GL_VERTEX_SHADER_ARB);
FragmentShaderObject := glCreateShaderObjectARB(GL_FRAGMENT_SHADER_ARB);

glCreateShaderObjectARB dient zur Generierung eines leeren Shaderobjektes. Momentan unterstützt diese Funktion VertexShader und FragmentShader.

Nachdem wir nun also zwei gültige Shaderobjekte haben, wollen wir diese auch mit entsprechendem Quellcode versorgen :

glShaderSourceARB(VertexShaderObject, 1, @ShaderText, @ShaderLength);
glShaderSourceARB(FragmentShaderObject, 1, @ShaderText, @ShaderLength);

Via glShaderSourceARB setzen wir den Quellcode eines Shaderobjektes komplett neu. Zum Laden des Quellcodes bietet sich unter Delphi übrigens eine TStringList gradezu an. Es sollte beachtet werden dass der Quellcode zu diesem Zeitpunkt nicht geparst wird, also keine Fehleruntersuchung stattfindet.

Der Quellcode wurde jetzt also an unsere Shaderobjekte gebunden und sollte dann natürlich auch noch kompiliert werden :

glCompileShaderARB(VertexShaderObject);
glCompileShaderARB(FragmentShaderObject);

Der glSlang-Compiler des Treibers wird bei einem Aufruf von glCompileShaderARB versuchen unsere Shader zu kompilieren. Sofern diese keine Fehler aufweisen sollte dies auch erfolgreich sein. Wenn nicht, dann spuckt uns der ShaderKompiler je nach Treiber recht detaillierte Infos aus. Wie man an diese Infos kommt könnt ihr gleich nachlesen.

Wenn unsere Shader dann kompiliert werden konnten, ist es Zeit diese an unser anfangs erstelltes Programmobjekt anzuhängen :

glAttachObjectARB(ProgramObject, VertexShaderObject);
glAttachObjectARB(ProgramObject, FragmentShaderObject);

Nachdem die Shaderobjekte nun an das Programmobjekt angehangen wurden, werden diese nicht mehr benötigt und ihre Resourcen können freigegeben werden :

glDeleteObjectARB(VertexShaderObject);
glDeleteObjectARB(FragmentShaderObject);

Am Schluß müssen wir dann noch unsere ans Programmobjekt gebundenen Shader linken :

glLinkProgramARB(ProgramObject);

Während glCompileShaderARB unsere Shader auf syntaktische Fehler innerhalb ihres lokalen Raums geprüft hat, werden beim Linken durch glLinkProgramARB die angehangenen Shader zu einem ausführbaren Shader gelinkt. Folgende Bedingungen führen zu einem Linkerfehler:

• Die Zahl der von der Implementation unterstützten Attributvariablen wurde überschritten
• Der Speicherplatz für Uniformvariablen wurde überschritten
• Die Zahl der von der Implementation angebotenen Sampler wurde überschritten
• Die main-Funktion fehlt
• Die Liste der Varying-Variablen des Vertexshaders stimmt nicht mit der des Fragmentshaders überein
• Funktions- oder Variablenname nicht gefunden
• Eine gemeinsame Globale ist mit unterschiedlichen Werten oder Typen initialisiert worden
• Zwei Sampler unterschiedlichen Typs zeigen auf die selbe Textureneinheit
• Ein oder mehrere angehangene(r) Shader wurden nicht erfolgreich kompiliert

Die Nutzung von glSlang im eigenen Programm ist wie oben erkennbar also nicht wirklich schwer und innerhalb kurzer Zeit realisiert. Natürlich ist es auch möglich z.B. nur einen VertexShader oder nur einen FragmentShader an ein Programmobjekt zu binden.

Fehlererkennung

Natürlich wird es ohne Fehlerausgabe recht schwer, etwaige Probleme in einem Vertex oder Fragment Shader zu finden. Doch auch in diesem Bereich wurde glSlang recht gut durchdacht und es wurden zwei Funktionen eingeführt, welche im Zusammenspiel die Fehlersuche recht einfach machen, nämlich glGetInfoLogARB und glGetObjectParameterivARB mit dem Argument GL_OBJECT_INFO_LOG_LENGTH_ARB. Erstere Funktion liefert uns einen Logstring, während uns letztere Funktion dessen Länge angibt. Der Logstring wird verändert, sobald ein Shader kompiliert oder ein Programm gelinkt wird.

Um die Ausgabe dieses Logs so einfach wie möglich zu machen, bietet es sich an beide in einer einfach Funktion unterzubringen :

function glSlang_GetInfoLog(glObject : GLHandleARB) : String;
var
 blen,slen : GLInt;
 InfoLog   : PGLCharARB;
begin
glGetObjectParameterivARB(glObject, GL_OBJECT_INFO_LOG_LENGTH_ARB , @blen);
if blen > 1 then
 begin
 GetMem(InfoLog, blen*SizeOf(GLCharARB));
 glGetInfoLogARB(glObject, blen, slen, InfoLog);
 Result := PChar(InfoLog);
 Dispose(InfoLog);
 end;
end;

Die Funktion ist recht leicht erklärt : Zuerst lassen wir uns über glGetObjectParameterivARB mitteilen wie lang der aktuelle Inoflog ist. Sollte dort tatsächlich etwas drinstehen (blen > 1), dann lassen wir uns dessen Inhalt via glGetInfoLogARB in InfoLog ausgeben und liefern diesen als Ergebnis zurück.

Wie bereits gesagt wird nur nach dem Kompilieren eines Shaders bzw. dem Linken eines Programmobjektes ein Infolog erstellt. Es bietet sich dadurch an, direk danach einen solchen Aufruf zu machen :

glCompileShaderARB(VertexShaderObject);
ShowMessage(glSlang_GetInfoLog(VertexShaderObject));

Wenn unser Vertex Shader komplett fehlerfrei kompiliert werden konnte, dann sehen wir als Ergebnis nur einen leeren Dialog. Ist dies nicht der Fall, so werden wir vom Treiber mit recht detaillierten Fehlerinformationen "belohnt", z.B. so :

Auch das Infolog nach dem Linken des Programmobjektes dürfte, selbst wenn keine Fehler vorkommen, recht interessant sein, das sieht dann nämlich so aus :

Wie zu sehen wird uns nach dem erfolgreichen Linken auch gesagt ob und welcher Shader in Hardware bzw. Software läuft. Für Debuggingzwecke sicherlich eine mehr als brauchbare Information.

Parameterübergabe

Uniformparmater (mehr dazu später) stellen die Schnittstelle zwischen eurem Programm und dem Shader dar, werden also genutzt um Daten aus dem Programm heraus an einen Shader zu übergeben. Zur Übergabe dieser Parameter bietet OpenGL diverse Funktionen, die alle Abkömmlinge von glUniformARB sind. Während mit glUniform4fARB z.B. ein Vier-Komponentenvektor an das Programmobjekt übergeben wird, kann man mittels glUniformMatrix4fvARB ganze Matrizen schnell und einfach übergeben. Ausserdem gibt es nun die Möglichkeit Uniformparameter direkt über ihren Namen, statt wie unter ARB_FP/VP über einen festen Index zu adressieren. Die Funktion glGetUnifromLocationARB gibt anhand des übergebenen Parameternamens dessen Position zurück. Man kann also ganz einfach über den Namen drauf zugreifen :

glUniform3fARB(glGetUniformLocationARB(ProgramObject, PGLCharARB('LightPosition')), LPos[0], LPos[1], LPos[2]);
glUniform1iARB(glGetUniformLocationARB(ProgramObject, PGLCharARB('texSamplerTMU3')), 3);

Wichtig ist hier, das man je nach Parametertyp auch die passende Anzahl von Argumenten übergibt. Also für einen 4-Komponenten Floatvektor glUniform4fARB und für einen einfachen Integerwert (z.B. Textureinheit für einen Sampler) glUnifrom1iARB. Auch nicht vergessen dürft ihr, das die Namen der Parameter genauso wie im Shader geschrieben werden müssen, also Groß- und Kleinschreibung beachtet werden müssen.

Die Shadersprache

Nachdem wir uns mit der Einbindung der glSlang-Shader in unser Programm beschäftigt haben, wollen wir uns in den folgenden Kapiteln um die Sprachelemente von glSlang kümmern. Wie schon gesagt basiert glSlang auf ANSI-C, wurde allerdings um speziell auf den Zielbereich angepasste Vektor- und Matrixtypen und einige C++-Features wie das freie deklarieren von Variablen an jeder Stelle und das Funktionsüberladen auf Basis des Argumenttyps erweitert. Wer sich ein wenig mit C/C++ auskennt sollte also in der nun folgenden Materie keine Probleme bekommen.

Obligatorische Hinweise für verwöhnte Delphi-Nutzer :

• Wie von C/C++ her gewohnt, spielt auch in glSlang die Groß- und Kleinschreibung eine wichtige Rolle, also bitte achtet darauf. gl_Position ist eine komplett andere Variable als z.B. gl_position.
• Es findet keine automatische Typenkonvertierung statt. Das bedeutet also das float MyFloat = 1 ungültig ist und es in dem Falle float MyFloat = 1.0 heissen muss. Typecasts müssen also immer manuell stattfinden, z.B. MyFloat = float(MyInt).

Kleine Programmstrukturkunde für C-Unkundige :
Da sicherlich einige Delpher nie richtig was mit C gemacht haben, zeige ich mal anhand eines kleinen Beispieles (das auf keinen Fall nen brauchbaren Shader darstellt) den grundlegenden Aufbau eines glSlang-Shaders, der natürlich dem Aufbau eines C-Programmes stark ähnelt :

uniform vec4 VariableA;
float VariableB;
vec3  VariableC;
const float KonstanteA = 256.0;

float MyFunction(vec4 ArgumentA)
 {
 float FunktionsVariableA = float(5.0);

 return float(ArgumentA * (FunktionsVariableA + KonstanteA));
 }

// Ich bin ein Kommentar
/* Und ich auch */
void main(void)
{
 gl_Position     = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;
 gl_TexCoord[0]  = gl_MultiTexCoord0;
}

Sieht doch recht bekannt aus, unser Programmaufbau. Delphi und C haben ja so einige Grundlagen gleich, darunter auch der ungefähre Programmaufbau. Ausserhalb jeglicher Funktionen legen wir am Programmanfang unsere Variablen, Konstanten und Attribute fest, die dann global nutzbar sind, also in jeder Funktion.

Darunter deklarieren wir dann eine kleine Funktion. Wie auch bei den Variablendeklarationen wird hier der Rückgabetyp nicht wie bei Pascal nach dem Funktionsnamen untergebracht, sondern davor. Innerhalb der Funktion können dann wieder Variablen deklariert werden, die dann allerdings lokal, also nur in dieser Funktion nutzbar sind. Vorteil dieser Deklaration ist die Tatsache, dass je nach Grafikkarte nur bestimmt viele globale Variablen deklariert werden können. Wenn möglich sollte man also mit lokalen Vorlieb nehmen. Unsere Funktion gibt dann natürlich noch via return einen Wert zurück, was gemacht werden muss, sofern man diese nicht als void deklariert hat (entspräche dann einer Prozedur in Pascal). Wird dies nicht getan, so spuckt Compiler einen Fehler aus.

Auch wichtig sind natürlich Kommentare. Erste Variante (Doppelslash) ist auch in der Pascalwelt verfügbar und kommentiert eine einzelne Zeile aus. Die Variante darunter kann man für Kommentarblöcke nutzen (/* .. */) und entspricht den Kommentaren in geschweiften Klammern in Delphi.

Danach kommt dann die wichtigste Funktion des Shaders, nämlich main, die in keinem Shader fehlen darf. Sie stellt quasi den Programmkörper dar und ist oft auch die einzige Funktion in einem Shader. Sie erhält weder ein Argument, noch gibt sie einen Wert zurück.

Soviel also zum grundlegenden Aufbau eines Shader. Hoffe das jetzt alle die in C nicht so bewandert sind damit klar kommen, und dann bald ihre ersten glSlang-Shader schreiben können.

Datentypen

Obwohl einige Datentypen aus C übernommen wurden, sieht man der Typenliste an, das diese speziell auf den 3D-Bereich zugeschnitten wurde. Variablen müssen vor ihrer Nutzung eindeutig deklariert sein, Typecasting erfolgt über Konstruktoren (dazu später mehr). Folgende Datentypen stehen sowohl im Vertex- als auch Fragmentshader zur Verfügung :

Die sampler-Typen stellen eine besondere Klasse dar und werden im Kapitel 6.7 genauer erklärt, inklusive einiger Anwendungsbeispiele.

Arrays

Natürlich unterstützt glSlang auch Arrays, die wie in C deklariert werden und deren Index bei 0 beginnt. Folgendes Array im Shader :

float temp[3];

beginnt also bei Index 0 und endet bei Index 2. Im Gegensatz zu C lassen sich Arrays in glSlang allerdings nicht bei der Initialisierung vorbelegen. Wenn ein Array als Parameter einer Funktion deklariert wird, so darf dieses keine Dimensionierung erhalten.

Strukturen

Neu ggü. ARB_FP/VP ist nun auch die Möglichkeit Strukturen in einem Shader zu deklarieren. Vor allem die Übersicht komplexerer Shader kann dadurch stark verbessert werden. Strukturen werden wie gewohnt mit dem Schlüsselwort struct eingeleitet und können dann zur Typisierung von Variablen genutzt werden. Folgendes Beispiel dürfte die Nutzung verdeutlichen :

struct light
 {
 bool active;
 float intensity;
 vec3 position;
 vec3 color;
 };

Im Shader können dann neue Variablen vom diesem Typ ganz einfach deklariert werden :

light LightSource[3];

Der Zugriff auf die Elemente der Struktur erfolgt dann wie gewohnt über den Punkt :

LightSource[3].position = vec3(1.0, 1.0, 5.0);

Typenqualifzierer

Zusätzlich zur Typendeklaration kann eine Variable noch einen Typenqualifizerer vorangestellt bekommen, der an den Anfang der Deklaration gehört. Di

• const

Festgelegte (nur lesen) Konstante bzw. nur lesbarer Funktionsparameter.

• uniform

Ein den ganzen Shader über gleichbleibender Wert, der eine Schnittstelle zwischen dem Shader und der OpenGL-Anwendung darstellt. Ein Uniformwert wird in der Hauptanwendung an den entsprechenden Shader übergeben und kann dort dann genutzt werden.

• attribute

Nur lesbare Werte die eine Verbindung zwischen dem Shader und der OpenGL-VertexAPI darstellen (z.B. VertexParameter eines VertexArrays). Natürlich nur in einem Vertex Shader nutzbar.

• varying

Stellt die Verbindung zwischen einem Vertex- und einem FragmentShader dar. Werden im VertexShader geschrieben und dann perspektivisch korrekt über die Primitive interpoliert, um dann im Fragment Shader gelesen werden zu können. Nutzbar sind hier nur die Typen float, vec2, vec3, vec4, mat2, mat3, und mat4, Strukturen und andere Datentypen können nicht varying sein. Die Namen einer varying-Variable müssen sowohl im VertexShader als auch im FragmentShader gleich sein.

• in

Für Variablen die an eine Funktion übergeben und dort ausgelesen werden.

• out

Für Variablen die von einer Funktion nach aussen zurückgegeben werden.

• inout

Für Variablen die sowohl an eine Funktion übergeben als auch von dieser zurückgegeben werden.

Um obige Auflistung nicht leer im Raum stehen zu lassen zeige ich ein paar Beispiele die hoffentlich zum Verständnis beitragen :

Beispiel A : Vertexnormale soll an einen FragmenShader (interpoliert) übergeben werden :

Im VertexShader :

varying vec3 VertexNormal;
...
VertexNormal = normalize(MV_IT * gl_Normal);

Im FragmentShader :

varying vec3 VertexNormal;
...
TempVector = VertexNormal*...

Beispiel B : Uniformparameter zur nachträglichen Farbänderung der Szene wird im Programm übergeben :

Im VertexShader :

uniform vec4 GlobalColor;
...
gl_FrontColor = GlobalColor * gl_Color;

Im Programm :

glUniform4fARB(glSlang_GetUniLoc(ProgramObject, 'GlobalColor'), Col[0], Col[1], Col[2], Col[3]);

Beispiel C : Konstante zur festen Farbänderung :

Im VertexShader :

const vec4 ColorBias = vec4(0.2, 0.3, 0.0, 0.0);
...
gl_FrontColor = ColorBias * gl_Color;

Konstruktoren

Um in einem Shader Vektoren oder Matrizen mit Werten zu belegen, gibt es sogenannte Konstruktoren (nicht zu verwechseln mit z.B. Klassenkonstruktoren unter Delphi), die im Endeffekt nichts anderes als Funktionen zur Vorbelegung von Vektoren oder Matrizen darstellen. Dabei trägt der Konstruktor den selben Namen wie die Typendeklaration, also lässt sich eine Variable vom Typ vec4 mit dem Konstruktor vec4(float, float, float, float) initialisieren.

Allerdings hat man sich recht viel Mühe bei dieser Konstruktorgeschichte gemacht, so dass man einen vec4 nicht unbedingt mit einem vec4-Konstruktor vorbelegen muss, sondern es vielseitige Möglichkeiten gibt. Um dies zu verdeutlichen gibts ein paar Beispiele :

vec4 Color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 0.0);
vec4 Color = vec4(MyVec3, 1.0);
vec4 Color = vec4(MyVec2_A, MyVec2_B);

vec3 LVec  = vec3(MyVec4);
vec2 Tmp   = vec2(MyVec3);

Trotz der recht wenigen Beispiele sollte schnell erkennbar sein, das man hier wirklich sehr viele Kombinationsmöglichkeiten hat, die dann gültig sind wenn man mindestens auf die benötigte Anzahl der Argumente kommt. Im vorletzten Beispiel wird z.B. ein 3-Komponentenvektor aus einem 4-Komponentenvektor initialisiert. Das erzeugt keinen Fehler, sondern führt dazu das vec3.x, vec3.y, vec3.z aus MyVec4 übernommen werden und MyVec4.w einfach ignoriert wird.

Das Umkehrbeispiel, also

vec4 Color = vec4(MyVec3)

funktioniert allerdings nicht, da hier die Zahl der benötigten Argumente nicht erreicht wird. In diesem Falle müsste es dann

vec4 Color = vec4(MyVec3, 0.0)

heissen.

Obiges gilt natürlich auch für Matrixkonstruktoren, hier sind z.B. folgende Konstuktoren denkbar, obwohl eigentlich alle Möglichkeiten nutzbar sind, solange die benötigte Zahl an Argumenten erreicht wird :

mat4 MyMatrix = mat4(MyVec4, MyVec4, MyVec4, MyVec4);
mat2 MyMatrix = mat4(1.0, 0.0, 0.0, 0.0,
                     0.0, 1.0, 0.0, 0.0,
                     0.0, 0.0, 1.0, 0.0,
                     0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

Vektor- und Matrixkomponenten

Was natürlich in keiner Shadersprache fehlen darf, ist der leichte Zugriff auf die einzelnen Komponenten eines Vektors. glSlang bietet, je nach Anwendungsgebiet gleich drei Namensets für den Zugriff auf die Komponenten eines solchen Vektors, welches Set man nutzen will bleibt natürlich frei und ist unabhängig von der Deklaration eines Vektors. Man sollte nur darauf achten, beim gleichzeitigen Zugriff auf mehrere Komponenten im gleichen Namenset zu verbleiben :

• {x, y, z, w}

Für den Zugriff auf Vektoren die Punkte, Normale oder sonstige Vertexdaten repräsentieren.

• {r, g, b, a}

Für den Zugriff auf Vektoren die Farbwerte repräsentieren.

• {s, t, p, q}

Für den Zugriff auf Vektoren die Texturkoordinaten repräsentieren.

Ein paar Beispiele zur Unterstreichung des oben gesagten :

v4.rgba = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 0.0);  // gültig
v4.rgzw = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 2.0);  // Ungültig, da verschiedenen Namensets
v2.rgb  = vec3(1.0, 2.0, 1.0);       // Ungültig, da vec2 nur r+g besitzt
v2.xx   = vec2(5.0, 3.0);            // Ungültig, da 2 mal gleiche Komponente

Auch der Zugriff auf die Komponenten einer Matrix geht leicht von der Hand. Namensets wie bei den Vektoren gibt es hier natürlich keine, aber folgende Beispiele sollen den Zugriff aufzeigen :

MyMat4[2]    = vec4(1.0); // Setzt die 3.Zeile der Matrix komplett auf 1.0
MyMat4[3][3] = 3.5;       // Setzt das Element unren rechts auf 3.5

Ein Zugriff auf Matrixelemente ausserhalb ihrer Dimension (also z.B. MyMat4[4][4]) liefert unvorhersehabre Ergebnise, also sollte man auf diese Fälle prüfen.

Vektor- und Matrixoperationen

Wie von C gewohnt sind in glSlang so ziemlich alle Operatoren die man auf Matrizen oder Vektoren anwenden kann überladen, so das man nicht umständlich über selbstgeschriebene Funktionen kombinieren muss. Darüberhinaus ist es in den meisten Fällen auch möglich ohne Konvertierung Fließkommawerte mit kompletten Matrizen oder Vektoren zu kombinieren. Folgende Beispiele zeigen einige der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten auf :

vec3  dest;
vec3  source;
float factor;

vec3 dest = source + factor; 

// Ist gleich
dest.x = source.x + factor;
dest.y = source.y + factor;
dest.z = source.z + factor;

Matrix * Vektor ist auch ohne manuelle Konvertierung möglich :

vec3  dest;
vec3  source;
mat3  MyMat;

dest = source * MyMat; 

// Ist gleich
dest.x = dot(source, MyMat[0]);
dest.y = dot(source, MyMat[1]);
dest.z = dot(source, MyMat[2]);

Auch hier sind die Möglichkeiten fast unbeschränkt und zeigen wieder wie flexibel glSlang ausgelegt ist.

Operatoren

glSlang bietet (momentan) folgende Operatoren, die Liste ist nach ihrer Gewichtung sortiert (Anfang = höchste). Alle reservierten Operatoren werden erst in kommender Hardware/glSlang-Versionen nutzbar sein :

Funktionen

Ein großer Vorteil von Hochsprachen ist u.A. die Möglichkeit oft genutzte Codeteile in Funktionen (bzw. auch Prozeduren unter Pascal) zu verpacken um so Flexibilität als auch Übersichtlichkeit zu steigern. Wer schonmal was in C geschrieben hat, der wird sich jetzt sicherlich kein Kopfzerbrechen machen müssen. Funktionen werden in glSlang genauso nach folgendem Prinzip deklariert :

RückgabeTyp FunktionsName(Typ0 Argument0, Typ1, Argument1, ... , TypN, ArgumentN)
 {
 return RückgabeWert;
 }

Funktionen die nichts zurückgeben müssen mit dem RückgabeTyp void deklariert werden, ausserdem entfällt dann logischerweise das return. Falls die Funktion eines ihrere Argumente nach aussen übergeben soll, muss dieses Argument mit dem Typenqualifizierer out (Siehe Kapitel 4.2) versehen werden. Arrays können nur als Eingabeargumente übergeben werden und dürfen nich dimensioniert als Argument verwendet werden, sondern müssen mit leeren Klammern argumentiert werden. Ein paar Beispiele :

void MeineFunktion(float EingabeWert; out float AusgabeWert)
 {
 AusgabeWert = EingabeWert*MyConstValue;
 }

Diese Funktion gibt nichts zurück, aber gibt EingabeWert*MyConstValue im Ausgabeargument AusgabeWert nach aussen.

float MeineFunktion(float EingabeWert)
 {
 return EingabeWert*MyConstValue;
 }

Bietet genau die selbe Funktionalität wie das Beispiel darüber. Allerdings wird hier der berechnete Wert als Ergebnis der Funktion zurückgeliefert.

float VektorSumme(float v[])
 {
 return v[0]+v[1]+v[2]+v[3];
 }

Wie bereits gesagt darf ein Array als Argument keine Dimensionierung enthalten. Wenn man der Funktion also ein Array übergibt, sollte man vorher drauf achten das es entsprechend der in der Funktion genutzten Indizes dimensioniert wurde.

if-Anweisung

Selektion über eine if-Anweisung darf auch in keiner Hochsprache fehlen. Genauso wie in C oder Delphi erwartet auch hier die If-Anweisung einen boolschen Ausdruck (Wahr oder Falsch) und wird dann ausgeführt (wahr) bzw. verzweigt auf ein (wenn vorhanden) else (falsch). Verschachtelung ist wie erwartet auch möglich.

Schleifen

Auch Schleifen, ein wichtiges Konzept jeder Hochsprache haben ihren Weg in glSlang gefunden. Unterstützt werden folgende Schleifentypen :

• for-Schleife

for (Startausdruck; Durchlaufbedingung; Wiederholungsausdruck;)
  {
   statement
  }

• while-Schleife

while (Durchlaufbedingung)
  {
   statement
  }

• do-while-Schleife

do
 {
  statement
 }
while (Durchlaufbedingung)

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Rest folgt. Derweil kann man das Tutorial auch unter http://www.delphigl.com/script/do_show.php?name=glslang&action=2 nachlesen.

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