CSharpGL(11)用C#直接编写GLSL程序

时间：2016-01-30 22:22:04 阅读：653 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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CSharpGL(11)用C#直接编写GLSL程序

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

由来

本项目的目的：使开发者可以直接用C#书写GLSL代码。

现在（2016年1月30日）编写GLSL的shader程序时，并没有什么好的开发环境。智能提示、代码补全、自动排版都没有。基本上我是用notepad++之类的编辑器写的。

很苦恼，一度导致我对shader有偏见。

GLSL是类似C语言的。我发现几乎所有的GLSL里出现的语法形式都可以用C#以相同的方式写出来。那么用C#来写"GLSL代码"，之后再自动转换为纯粹的GLSL代码，岂非一大快事？！

在本项目定义的类型基础上，你就可以直接用C#来写GLSL代码了。（只有很少的几点不同，到时候你会立即明白的。）

C#版的GLSL，以后就称为CSSL（C# Shader Language）。

下载

这个项目是CSharpGL的一部分，CSharpGL已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

示例

从一个简单的例子来抽象出整个项目的设计方案来。

Vertex shader（GLSL）

这是一个典型的vertex shader。

 1 #version 150 core
 2 
 3 in vec3 in_Position;
 4 in vec2 in_UV;  
 5 out vec2 pass_UV;
 6 
 7 uniform mat4 projectionMatrix;
 8 uniform mat4 viewMatrix;
 9 uniform mat4 modelMatrix;
10 
11 void main(void) 
12 {
13     gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(in_Position, 1.0);
14 
15     pass_UV = in_UV;
16 }

对应的C#写法（CSSL）

我用如下的C#代码与之对应，并期望将来能够将其自动转化为上文的vertex shader。

 1     class DemoVert
 2 {
 3 vec4 gl_Position;
 4 
 5         [In]
 6         vec3 in_Position;
 7         [In]
 8         vec2 in_UV;
 9         [Out]
10         vec2 pass_UV;
11 
12         [Uniform]
13         mat4 projectionMatrix;
14         [Uniform]
15         mat4 viewMatrix;
16         [Uniform]
17         mat4 modelMatrix;
18 
19         void main()
20         {
21             gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(in_Position, 1.0);
22             pass_UV = in_UV;
23         }
24     }

Fragment shader（GLSL）

这是一个典型的fragment shader。与上文的vertex shader可以组成一个shader program。

 1 #version 150 core
 2 
 3 in vec2 pass_UV;
 4 out vec4 out_Color;
 5 uniform sampler2D texture1;
 6 uniform sampler2D texture2;
 7 uniform float percent;
 8 
 9 void main(void) 
10 {
11     vec4 color = texture(texture1, pass_UV) * percent + texture(texture2, pass_UV) * (1.0 - percent);
12     out_Color = color;
13     //out_Color = texture(texture2, pass_UV);
14     //out_Color = texture(texture1, pass_UV);
15 }

对应的C#写法（CSSL）

我用如下的C#代码与之对应，并期望将来能够将其自动转化为上文的fragment shader。

 1     class DemoFrag
 2     {
 3         [In]
 4         vec2 pass_UV;
 5         [Out]
 6         vec4 out_Color;
 7 
 8         [Uniform]
 9         sampler2D texture1;
10         [Uniform]
11         sampler2D texture2;
12         [Uniform]
13         float percent;
14         void main()
15         {
16             vec4 color = texture(texture1, pass_UV) * percent + texture(texture2, pass_UV) * (1.0f - percent);
17             out_Color = color;
18             //out_Color = texture(texture2, pass_UV);
19             //out_Color = texture(texture1, pass_UV);
20         }
21 
22         private vec4 texture(sampler2D texture1, vec2 pass_UV)
23         {
24             throw new NotImplementedException();
25         }
26 
27     }

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

设计

大体思路就如上面的例子。顶点属性、uniform变量都可以用C#字段表示。main函数、内置函数、内置变量都可以用C#相应的函数和类型表示。

稍微有所不同的是，‘in‘，‘out‘，‘uniform‘等这些qualifier只好用Attribute代表了。

子函数尚未涉及，到时候再说。

不同类型的shader（vertex、fragment、geometry、tessellation等）都有些相同的内置函数，也都有各自独特的内置变量，这就是本项目的类库设计要描述的对象。

对于用户来说，用户只需写出CSSL的代码，即可一键自动获取GLSL的代码。

CSSL写好了，当然应该自动地转换为GLSL。否则还有什么意义。

CSSL

将C#代码转换为另一种形式，无非是反射+字符串解析拼接之类的东西。

设计方案很简单。包含CSSL的*.cs文件作为输入，对应的GLSL文件（*.vert或*.frag）作为输出。用反射获取in、out、uniform这些变量，用正则表达式获取main函数代码。最后用字符串拼接起来就是。Shader有多种，所以要有一个抽象和继承关系。

技术分享

上图是对CSSL代码的分析和设计图。注意，这里的CSSL代码对我这个开发者而言，只是一堆存储在*.cs文件里的字符串。虽然其内容是C#代码，但其本质仍然是字符串，只不过这个字符串的内容是一些C#代码。可不要绕晕了。

语义化的Shader

获取语义化的shader，就是从字符串形式的CSSL到内存中的数据结构这样一个过程。这实际上是一个极其简陋的编译器做的事。

技术分享

导出GLSL

获取字段的过程用反射就可以实现。

 1         private void Parse()
 2         {
 3             FieldInfo[] fields = this.shaderCode.GetType().GetFields(BindingFlags.Public | BindingFlags.Instance | BindingFlags.NonPublic);
 4             foreach (var field in fields)
 5             {
 6                 if (field.GetCustomAttribute<InAttribute>() != null)
 7                 {
 8                     this.fields.Add(new FieldTemplate(FieldQualifier.In, field.FieldType, field.Name));
 9                 }
10                 else if (field.GetCustomAttribute<OutAttribute>() != null)
11                 {
12                     this.fields.Add(new FieldTemplate(FieldQualifier.Out, field.FieldType, field.Name));
13                 }
14                 else if (field.GetCustomAttribute<UniformAttribute>() != null)
15                 {
16                     this.fields.Add(new FieldTemplate(FieldQualifier.Uniform, field.FieldType, field.Name));
17                 }
18             }
19 
20             this.mainFunction = SearchMainFunction(this.fullname);
21         }

找到主函数代码就得用正则表达式了。

 1         protected override string SearchMainFunction(string fullname)
 2         {
 3             string content = File.ReadAllText(fullname);
 4             // class XxxVertexShader : VertexShaderCode
 5             Match match = Regex.Match(content, @"class\s+" + this.shaderCode.GetType().Name + @"\s*:");
 6             int classStart = match.Index + match.Length;
 7             // public override void main() { ... }
 8             match = Regex.Match(content.Substring(classStart),
 9                 @"public\s+override\s+void\s+main\s*\(\s*\)\s*\{");
10             // 自行找到main(){}函数的‘}’
11             int firstLeftBrace = classStart + match.Index + match.Length - 1;
12             int left = 1;
13             int lastRightBrace = -1;
14             for (int i = firstLeftBrace + 1; i < content.Length; i++)
15             {
16                 char c = content[i];
17                 if (c == ‘\"‘)
18                 {
19                     for (int j = i + 1; j < content.Length; j++)
20                     {
21                         char tmp = content[j];
22                         if (tmp == ‘\"‘)
23                         {
24                             i = j;
25                             break;
26                         }
27                     }
28                 }
29                 else if (c == ‘\‘‘)
30                 {
31                     i = i + 2;
32                 }
33                 else if (c == ‘{‘)
34                 {
35                     left++;
36                 }
37                 else if (c == ‘}‘)
38                 {
39                     left--;
40                     if (left == 0)
41                     {
42                         lastRightBrace = i;
43                         break;
44                     }
45                 }
46             }
47 
48             StringBuilder mainBuilder = new StringBuilder();
49             mainBuilder.AppendLine("void main(void)");
50             mainBuilder.AppendLine("{");
51             string[] parts = content.Substring(firstLeftBrace + 1, lastRightBrace - (firstLeftBrace - 1))
52                 .Split(separator, StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);
53             int preEmptyCount = 0;
54             {
55                 string line = Regex.Replace(parts[parts.Length - 1], "\t", "    ");
56                 preEmptyCount = Regex.Match(line, @" *").Length;
57             }
58             foreach (var item in parts)
59             {
60                 string line = Regex.Replace(item, "\t", "    ");
61 
62                 if (Regex.Match(line, @"[\t ]*").Length >= preEmptyCount)
63                 {
64                     line = line.Substring(preEmptyCount);
65                 }
66                 mainBuilder.AppendLine(line);
67             }
68             return mainBuilder.ToString();
69         }