Uniform 变量

Uniform 是使用 uniform 存储限定符声明的全局着色器变量。这些变量作为用户传递给着色器程序的参数，其值存储在程序对象中。

Uniform 变量之所以称为"uniform"，是因为在特定渲染调用中，它们的值在所有着色器调用间保持不变。这与着色器阶段输入输出形成对比，后者通常在每个调用中不同。

GLSL 定义与行为

Uniform 变量必须在全局作用域定义，可以是任何类型或类型的聚合：

struct TheStruct {
    vec3 first;
    vec4 second;
    mat4x3 third;
};

uniform vec3 oneUniform;
uniform TheStruct aUniformOfArrayType;
uniform mat4 matrixArrayUniform[25];
uniform TheStruct uniformArrayOfStructs[10];

Uniform 变量在着色器内隐式常量，尝试修改会导致编译错误。不能作为 out 或 inout 函数参数传递。

可以初始化默认值：

uniform vec3 initialUniform = vec3(1.0, 0.0, 0.0);

这将使 uniform 保持该值，直到用户修改。

平台问题

某些驱动程序可能未正确实现 uniform 初始化器。

显式 Uniform 位置

版本要求

核心版本：4.3 | 扩展：ARB_explicit_uniform_location

接口块外的 uniform 可以直接指定位置：

layout(location = 2) uniform mat4 modelToWorldMatrix;

glGetUniformLocation(prog, "modelToWorldMatrix") 保证返回 2。

数组与结构体从给定位置开始顺序分配：

layout(location = 2) uniform mat4 some_mats[10];  // 占用位置 2-11

struct Thingy {
    vec4 an_array[3];
    int foo;
};
layout(location = 2) uniform Thingy some_thingies[6];  // 占用 24 个位置

位置冲突

将相同位置分配给不同名称或类型的 uniform 是非法的，会导致链接错误。

layout(location = 2) uniform mat4 some_mats[10];  // 占用 2-11
layout(location = 6) uniform vec4 some_vecs[4];   // 错误：与 some_mats[4] 冲突

可用位置数量由 GL_MAX_UNIFORM_LOCATIONS 限定（至少 1024）。

活跃 Uniform

GLSL 编译器和链接器会尽可能优化。只有影响阶段输出且自身能改变输出的 uniform 才会被保留。

被完全链接程序暴露的 uniform 称为活跃 uniform；其他 uniform 是非活跃的，无法使用。

实现限制

每个着色器阶段有活跃 uniform 数量限制：

阶段	查询常量
顶点	GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_COMPONENTS
几何	GL_MAX_GEOMETRY_UNIFORM_COMPONENTS
片段	GL_MAX_FRAGMENT_UNIFORM_COMPONENTS
细分控制	GL_MAX_TESS_CONTROL_UNIFORM_COMPONENTS
细分评估	GL_MAX_TESS_EVALUATION_UNIFORM_COMPONENTS
计算	GL_MAX_COMPUTE_UNIFORM_COMPONENTS

OpenGL 3.0+ 保证至少 1024 个分量。

分量计算规则：

• vec3 占用 3 个分量
• 矩阵最多占用 4 * min(rows, cols) 个分量
• 双精度值占用单精度等效的 2 倍空间

TIP

实现可能因硬件原因拒绝着色器，即使分量计数在限制内。某些硬件（特别是向量硬件）可能将每个 uniform 视为 4 个分量。

Uniform 管理

程序对象封装 uniform 状态。同一程序的所有阶段共享相同 uniform 集合。如果顶点和片段着色器定义了同名 uniform，则程序只有一个该 uniform。

链接错误

同名但类型不同的 uniform 在不同着色器阶段定义会导致链接错误。

每个活跃 uniform 有一个位置——用于快速访问的数字句柄。如果未显式指定位置，OpenGL 将任意分配。不同程序中相同 uniform 可能有不同位置。

修改 Uniform 值

使用 glUniform* 系列函数修改 uniform 值：

void glUniform1f(GLint location, GLfloat v0);
void glUniform3fv(GLint location, GLsizei count, const GLfloat *value);
void glUniformMatrix4fv(GLint location, GLsizei count, GLboolean transpose, const GLfloat *value);

必须先绑定程序到上下文：

glUseProgram(program);
glUniform3fv(location, 1, value);

直接状态访问

OpenGL 4.1 或 ARB_separate_shader_objects 提供 glProgramUniform* 函数，无需绑定程序即可设置 uniform。

Uniform 块与缓冲

详见 Uniform 缓冲对象。

将一组 uniform 存储在独立于程序对象的存储中，允许多程序共享数据、快速切换 uniform 集合。

使用接口块声明：

uniform MatrixBlock {
    mat4 projection;
    mat4 modelView;
};

WARNING

不透明类型（如采样器）不能作为 uniform 块成员。

访问 Uniform 信息

通过程序内省 API 查询 uniform 信息：

GLint glGetUniformLocation(GLuint program, const GLchar *name);
void glGetActiveUniform(GLuint program, GLuint index, GLsizei bufSize,
                        GLsizei *length, GLint *size, GLenum *type, GLchar *name);

数组命名约定允许获取整个数组或单个元素的位置。结构体成员位置可能是非连续的（除非显式指定）。