笔者介绍：姜雪伟,泰课在线高级讲师

3D游戏引擎的核心是渲染，游戏品质的提升需要通过Shader编程实现渲染技术，通常的渲染方式一般会通过Direct3D或者是OpenGL，对于目前比较流行的引擎Unity3D，Cocos2d-x，UE4引擎在移动端的渲染都是采用的OpenGL，所以掌握OpenGL的渲染非常重要，这有助于我们了解引擎内部的实现方式。

对于Shader脚本，实现方式主要分为顶点着色器和片段着色器，顶点着色器计算得到的值是传递给片段着色器使用的，下面就详细介绍Shader编程的核心内容。

每次我们打算从顶点向片段着色器发送数据，我们都会声明一个相互匹配的输出/输入变量。从一个着色器向另一个着色器发送数据，一次将它们声明好是最简单的方式，但是随着应用变得越来越大，你也许会打算发送的不仅仅是变量，最好还可以包括数组和结构体。

为了帮助我们组织这些变量，GLSL为我们提供了一些叫做接口块(Interface Blocks)的东西，好让我们能够组织这些变量。声明接口块和声明struct有点像，不同之处是它现在基于块（block），使用in和out关键字来声明，最后它将成为一个输入或输出块（block）。 

这次我们声明一个叫做vs_out的接口块，它把我们需要发送给下个阶段着色器的所有输出变量组合起来。虽然这是一个微不足道的例子，
但是你可以想象一下，它的确能够帮助我们组织着色器的输入和输出。

然后，我们还需要在下一个着色器——片段着色器中声明一个输入interface block。块名（block name）应该是一样的，但是实例名可以是任意的。 

如果两个interface block名一致，它们对应的输入和输出就会匹配起来。这是另一个可以帮助我们组织代码的有用功能，特别是在跨着色阶段的情况，比如几何着色器。

如果大家使用OpenGL很长时间了，也学到了一些很酷的技巧，但是产生了一些烦恼。比如说，当时用一个以上的着色器的时候，我们必须一次次设置uniform变量，尽管对于每个着色器来说它们都是一样的，所以为什么还麻烦地多次设置它们呢？

OpenGL为我们提供了一个叫做uniform缓冲对象(Uniform Buffer Object)的工具，使我们能够声明一系列的全局uniform变量， 它们会在几个着色器程序中保持一致。当时用uniform缓冲的对象时相关的uniform只能设置一次。我们仍需为每个着色器手工设置唯一的uniform。创建和配置一个uniform缓冲对象需要费点功夫。

因为uniform缓冲对象是一个缓冲，因此我们可以使用glGenBuffers创建一个，然后绑定到GL_UNIFORM_BUFFER缓冲目标上，然后把所有相关uniform数据存入缓冲。有一些原则，像uniform缓冲对象如何储存数据，我们会在稍后讨论。首先我们我们在一个简单的顶点着色器中，用uniform块(uniform block)储存投影和视图矩阵： 

前面，大多数例子里我们在每次渲染迭代，都为projection和view矩阵设置uniform。这个例子里使用了uniform缓冲对象，这非常有用，因为这些矩阵我们设置一次就行了。

在这里我们声明了一个叫做Matrices的uniform块，它储存两个4×4矩阵。在uniform块中的变量可以直接获取，而不用使用block名作为前缀。接着我们在缓冲中储存这些矩阵的值，每个声明了这个uniform块的着色器都能够获取矩阵。

现在你可能会奇怪layout(std140)是什么意思。它的意思是说当前定义的uniform块为它的内容使用特定的内存布局，这个声明实际上是设置uniform块布局(uniform block layout)。

一个uniform块的内容被储存到一个缓冲对象中，实际上就是在一块内存中。因为这块内存也不清楚它保存着什么类型的数据，我们就必须告诉OpenGL哪一块内存对应着色器中哪一个uniform变量。

假想下面的uniform块在一个着色器中：

我们所希望知道的是每个变量的大小（以字节为单位）和偏移量（从block的起始处），所以我们可以以各自的顺序把它们放进一个缓冲里。每个元素的大小在OpenGL中都很清楚，直接与C++数据类型呼应，向量和矩阵是一个float序列（数组）。OpenGL没有澄清的是变量之间的间距。这让硬件能以它认为合适的位置方式变量。比如有些硬件可以在float旁边放置一个vec3。不是所有硬件都能这样做，在vec3旁边附加一个float之前，给vec3加一个边距使之成为4个（空间连续的）float数组。功能很好，但对于我们来说用起来不方便。

GLSL 默认使用的uniform内存布局叫做共享布局(shared layout)，叫共享是因为一旦偏移量被硬件定义，它们就会持续地被多个程序所共享。使用共享布局，GLSL可以为了优化而重新放置uniform变量，只要变量的顺序保持完整。因为我们不知道每个uniform变量的偏移量是多少，所以我们也就不知道如何精确地填充uniform缓冲。我们可以使用像glGetUniformIndices这样的函数来查询这个信息，但是这超出了本节教程的范围。

由于共享布局给我们做了一些空间优化。通常在实践中并不适用分享布局，而是使用std140布局。std140通过一系列的规则的规范声明了它们各自的偏移量，std140布局为每个变量类型显式地声明了内存的布局。由于被显式的提及，我们就可以手工算出每个变量的偏移量。

每个变量都有一个基线对齐(base alignment)，它等于在一个uniform块中这个变量所占的空间（包含边距），这个基线对齐是使用std140布局原则计算出来的。然后，我们为每个变量计算出它的对齐偏移(aligned offset)，这是一个变量从块（block）开始处的字节偏移量。变量对齐的字节偏移一定等于它的基线对齐的倍数。

准确的布局规则可以在OpenGL的uniform缓冲规范中得到，但我们会列出最常见的规范。GLSL中每个变量类型比如int、float和bool被定义为4字节，每4字节被表示为N。

像OpenGL大多数规范一样，举个例子就很容易理解。再次利用之前介绍的uniform块ExampleBlock，我们用std140布局，计算它的每个成员的aligned offset（对齐偏移）：

尝试自己计算出偏移量，把它们和表格对比，你可以把这件事当作一个练习。使用计算出来的偏移量，根据std140布局规则，我们可以用glBufferSubData这样的函数，使用变量数据填充缓冲。虽然不是很高效，但std140布局可以保证在每个程序中声明的这个uniform块的布局保持一致。

在定义uniform块前面添加layout (std140)声明，我们就能告诉OpenGL这个uniform块使用了std140布局。另外还有两种其他的布局可以选择，它们需要我们在填充缓冲之前查询每个偏移量。我们已经了解了分享布局（shared layout）和其他的布局都将被封装（packed）。当使用封装（packed）布局的时候，不能保证布局在别的程序中能够保持一致，因为它允许编译器从uniform块中优化出去uniform变量，这在每个着色器中都可能不同。

我们讨论了uniform块在着色器中的定义和如何定义它们的内存布局，但是我们还没有讨论如何使用它们。

首先我们需要创建一个uniform缓冲对象，这要使用glGenBuffers来完成。当我们拥有了一个缓冲对象，我们就把它绑定到GL_UNIFORM_BUFFER目标上，调用glBufferData来给它分配足够的空间 

现在任何时候当我们打算往缓冲中更新或插入数据，我们就绑定到uboExampleBlock上，并使用glBufferSubData来更新它的内存。我们只需要更新这个uniform缓冲一次，所有的使用这个缓冲着色器就都会使用它更新的数据了。但是，OpenGL是如何知道哪个uniform缓冲对应哪个uniform块呢？

在OpenGL环境（context）中，定义了若干绑定点（binding points），在哪儿我们可以把一个uniform缓冲链接上去。当我们创建了一个uniform缓冲，我们把它链接到一个这个绑定点上，我们也把着色器中uniform块链接到同一个绑定点上，这样就把它们链接到一起了。下面的图标表示了这点：

你可以看到，我们可以将多个uniform缓冲绑定到不同绑定点上。因为着色器A和着色器B都有一个链接到同一个绑定点0的uniform块，它们的uniform块分享同样的uniform数据—uboMatrices有一个前提条件是两个着色器必须都定义了Matrices这个uniform块。

我们调用glUniformBlockBinding函数来把uniform块设置到一个特定的绑定点上。函数的第一个参数是一个程序对象，接着是一个uniform块索引（uniform block index）和打算链接的绑定点。uniform块索引是一个着色器中定义的uniform块的索引位置，可以调用glGetUniformBlockIndex来获取这个值，这个函数接收一个程序对象和uniform块的名字。我们可以从图表设置Lights这个uniform块链接到绑定点2：

注意，我们必须在每个着色器中重复做这件事。

从OpenGL4.2起，也可以在着色器中通过添加另一个布局标识符来储存一个uniform块的绑定点，就不用我们调用glGetUniformBlockIndex和glUniformBlockBinding了。下面的代表显式设置了Lights这个uniform块的绑定点 copy

然后我们还需要把uniform缓冲对象绑定到同样的绑定点上，这个可以使用glBindBufferBase或glBindBufferRange来完成。