计算机图形学入门（七）-着色（着色频率、图形管线、纹理映射）代码

本文将介绍计算机图形学中的着色（Shading）技术，包括着色频率、图形管线、纹理映射等知识点，并提供部分代码示例。

## 着色频率

计算机图形学中的着色可以分为两种频率，分别是顶点着色和像素着色。

顶点着色（Vertex Shading）是在顶点级别对图形进行着色的过程，即在图形的每个顶点上计算颜色值，然后通过插值计算出整个图形的颜色。顶点着色通常用于处理顶点属性，如位置、法向量和颜色等。

像素着色（Pixel Shading）是在像素级别对图形进行着色的过程，即对图形的每个像素计算颜色值。像素着色通常用于处理纹理映射、阴影效果、反射和折射等。

## 图形管线

图形管线（Graphics Pipeline）是计算机图形学中的一个重要概念，它是将输入的几何形状转化为最终图像的过程，通常包括以下几个阶段：

1. 顶点输入：将输入的顶点数据传入图形管线。
2. 顶点着色：在顶点级别对图形进行着色。
3. 图元装配：将顶点组装成图元，如点、线、三角形等。
4. 光栅化：将图元转化为像素，并计算像素在屏幕上的位置。
5. 像素着色：对图形的每个像素进行着色。
6. 输出合成：将所有像素合成成最终的图像。

以下是一个简单的图形管线示例：

// 顶点着色器
void vertexShader(in vec3 position, out vec4 color)
{
    // 计算顶点颜色
    color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    // 将顶点位置传递给下一个阶段
    gl_Position = vec4(position, 1.0);
}

// 像素着色器
void pixelShader(in vec4 color, out vec4 fragmentColor)
{
    // 直接输出顶点颜色
    fragmentColor = color;
}

// 主程序
int main()
{
    // 顶点数据
    vec3 vertices[] = {
        vec3(-1.0, -1.0, 0.0),
        vec3(0.0, 1.0, 0.0),
        vec3(1.0, -1.0, 0.0)
    };

    // 图元数据
    GLuint indices[] = {0, 1, 2};

    // 创建着色器程序
    GLuint program = createProgram(vertexShader, pixelShader);

    // 获取顶点着色器输入位置的位置
    GLuint positionLocation = glGetAttribLocation(program, "position");

    // 创建顶点数组对象
    GLuint vao;
    glGenVertexArrays(1, &vao);
    glBindVertexArray(vao);

    // 创建顶点缓冲区对象
    GLuint vbo;
    glGenBuffers(1, &vbo);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    // 将顶点数据传递给顶点着色器
    glEnableVertexAttribArray(positionLocation);
    glVertexAttribPointer(positionLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);

    // 创建索引缓冲区对象
    GLuint ibo;
    glGenBuffers(1, &ibo);
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, ibo);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

    // 渲染图元
    glUseProgram(program);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, 3, GL_UNSIGNED_INT, 0);

    // 销毁着色器程序、缓冲区对象和顶点数组对象
    glDeleteProgram(program);
    glDeleteBuffers(1, &vbo);
    glDeleteBuffers(1, &ibo);
    glDeleteVertexArrays(1, &vao);

    return 0;
}

## 纹理映射

纹理映射（Texture Mapping）是一种基于图像的着色技术，它可以在三维模型表面上贴上图片，从而增强模型的真实感和细节。

纹理映射通常包括以下几个步骤：

1. 加载纹理图像：从文件中加载纹理图像，并将其存储在计算机内存中。
2. 创建纹理对象：将纹理图像传递给图形硬件，并创建一个纹理对象。
3. 纹理坐标计算：计算每个顶点在纹理图像中对应的位置，通常使用二维纹理坐标表示。
4. 纹理采样：在纹理图像中根据纹理坐标采样像素颜色，并将其作为顶点颜色。
5. 顶点着色：使用顶点颜色进行顶点着色。

以下是一个简单的纹理映射示例：

// 顶点着色器
void vertexShader(in vec3 position, in vec2 texCoord, out vec2 vTexCoord)
{
    // 将纹理坐标传递给下一个阶段
    vTexCoord = texCoord;
    // 将顶点位置传递给下一个阶段
    gl_Position = vec4(position, 1.0);
}

// 像素着色器
uniform sampler2D texture;
void pixelShader(in vec2 vTexCoord, out vec4 fragmentColor)
{
    // 在纹理图像中采样像素颜色
    vec4 texel = texture2D(texture, vTexCoord);
    // 输出纹理像素颜色
    fragmentColor = texel;
}

// 主程序
int main()
{
    // 顶点数据
    vec3 vertices[] = {
        vec3(-1.0, -1.0, 0.0),
        vec3(0.0, 1.0, 0.0),
        vec3(1.0, -1.0, 0.0)
    };

    // 纹理坐标数据
    vec2 texCoords[] = {
        vec2(0.0, 0.0),
        vec2(0.5, 1.0),
        vec2(1.0, 0.0)
    };

    // 图元数据
    GLuint indices[] = {0, 1, 2};

    // 加载纹理图像
    GLuint texture = loadTexture("texture.png");

    // 创建着色器程序
    GLuint program = createProgram(vertexShader, pixelShader);

    // 获取顶点着色器输入位置和纹理坐标的位置
    GLuint positionLocation = glGetAttribLocation(program, "position");
    GLuint texCoordLocation = glGetAttribLocation(program, "texCoord");

    // 创建顶点数组对象
    GLuint vao;
    glGenVertexArrays(1, &vao);
    glBindVertexArray(vao);

    // 创建顶点缓冲区对象
    GLuint vbo;
    glGenBuffers(1, &vbo);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    // 将顶点数据传递给顶点着色器
    glEnableVertexAttribArray(positionLocation);
    glVertexAttribPointer(positionLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);

    // 创建纹理坐标缓冲区对象
    GLuint tbo;
    glGenBuffers(1, &tbo);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, tbo);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(texCoords), texCoords, GL_STATIC_DRAW);

    // 将纹理坐标数据传递给顶点着色器
    glEnableVertexAttribArray(texCoordLocation);
    glVertexAttribPointer(texCoordLocation, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);

    // 创建索引缓冲区对象
    GLuint ibo;
    glGenBuffers(1, &ibo);
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, ibo);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

    // 渲染图元
    glUseProgram(program);
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
    glUniform1i(glGetUniformLocation(program, "texture"), 0);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, 3, GL_UNSIGNED_INT, 0);

    // 销毁着色器程序、缓冲区对象、纹理对象和顶点数组对象
    glDeleteProgram(program);
    glDeleteBuffers(1, &vbo);
    glDeleteBuffers(1, &tbo);
    glDeleteBuffers(1, &ibo);
    glDeleteTextures(1, &texture);
    glDeleteVertexArrays(1, &vao);

    return 0;
}

以上是计算机图形学中着色技术的简单介绍，希望对您有所帮助。