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WebGL 着色器和 GLSL

WebGL 着色器和 GLSL

我们已经讨论了一些关于着色器和 GLSL 的相关内容，但是仍然介绍的不是很仔细。可以通过一个例子来更清楚的了解。

正如 WebGL 是如何工作的中讲到的，每次绘制，都需要两个着色器，分别是顶点着色器和片段着色器。每个着色器都是一个函数。顶点着色器和片段着色器都是链接在程序中的。一个典型的 WebGL 程序都会包含很多这样的着色器程序。

顶点着色器

顶点着色器的任务就是产生投影矩阵的坐标。其形式如下：

void main() {
   gl_Position = doMathToMakeClipspaceCoordinates
}

每一个顶点都会调用你的着色器。每次调用程序都需要设置特定的全局变量 gl_Position 来表示投影矩阵的坐标。

顶点着色器需要数据，它以下面三种方式来获取这些数据。

  • 属性（从缓冲区中获取数据）
  • 一致变量（每次绘画调用时都保持一致的值）
  • 纹理（从像素中得到的数据）

属性

最常用的方式就是使用缓存区和属性。WebGL 如何工作的中已经涵盖了缓冲区和属性。

程序可以以下面的方式创建缓存区。 

var buf = gl.createBuffer();

在这些缓存中存储数据。 

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buf);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, someData, gl.STATIC_DRAW);

于是，给定一个着色器程序，程序可以去查找属性的位置。 

var positionLoc = gl.getAttribLocation(someShaderProgram, "a_position");

下面告诉 WebGL 如何从缓存区中获取数据并存储到属性中。 

// turn on getting data out of a buffer for this attribute
gl.enableVertexAttribArray(positionLoc);

var numComponents = 3;  // (x, y, z)
var type = gl.FLOAT;
var normalize = false;  // leave the values as they are
var offset = 0; // start at the beginning of the buffer
var stride = 0; // how many bytes to move to the next vertex
// 0 = use the correct stride for type and numComponents

gl.vertexAttribPointer(positionLoc, numComponents, type, false, stride, offset);

在 WebGL 基本原理中我们展示了我们可以在着色器中附加一些逻辑，然后将值直接传递。 

attribute vec4 a_position;

void main() {
   gl_Position = a_position;
}

如果我们可以将投影矩阵放入我们的缓存区中，它就会开始运作。

属性可以使用 float，vec2，vec3，vec4，mat2，mat3 和 mat4 作为类型。

一致性变量

对于顶点着色器，一致性变量就是在绘画每次调用时，在着色器中一直保持不变的值。下面是一个往顶点中添加偏移量着色器的例子。 

attribute vec4 a_position;
uniform vec4 u_offset;

void main() {
   gl_Position = a_position + u_offset;
}

下面，我们需要对每一个顶点都偏移一定量。首先，我们需要先找到一致变量的位置。 

var offsetLoc = gl.getUniformLocation(someProgram, "u_offset");

然后，我们在绘制前需要设置一致性变量。 

gl.uniform4fv(offsetLoc, [1, 0, 0, 0]);  // offset it to the right half the screen

一致性变量可以有很多种类型。对每一种类型都可以调用相应的函数来设置。 

gl.uniform1f (floatUniformLoc, v); // for float
gl.uniform1fv(floatUniformLoc, [v]);   // for float or float array
gl.uniform2f (vec2UniformLoc,  v0, v1);// for vec2
gl.uniform2fv(vec2UniformLoc,  [v0, v1]);  // for vec2 or vec2 array
gl.uniform3f (vec3UniformLoc,  v0, v1, v2);// for vec3
gl.uniform3fv(vec3UniformLoc,  [v0, v1, v2]);  // for vec3 or vec3 array
gl.uniform4f (vec4UniformLoc,  v0, v1, v2, v4);// for vec4
gl.uniform4fv(vec4UniformLoc,  [v0, v1, v2, v4]);  // for vec4 or vec4 array

gl.uniformMatrix2fv(mat2UniformLoc, false, [  4x element array ])  // for mat2 or mat2 array
gl.uniformMatrix3fv(mat3UniformLoc, false, [  9x element array ])  // for mat3 or mat3 array
gl.uniformMatrix4fv(mat4UniformLoc, false, [ 17x element array ])  // for mat4 or mat4 array

gl.uniform1i (intUniformLoc,   v); // for int
gl.uniform1iv(intUniformLoc, [v]); // for int or int array
gl.uniform2i (ivec2UniformLoc, v0, v1);// for ivec2
gl.uniform2iv(ivec2UniformLoc, [v0, v1]);  // for ivec2 or ivec2 array
gl.uniform3i (ivec3UniformLoc, v0, v1, v2);// for ivec3
gl.uniform3iv(ivec3UniformLoc, [v0, v1, v2]);  // for ivec3 or ivec3 array
gl.uniform4i (ivec4UniformLoc, v0, v1, v2, v4);// for ivec4
gl.uniform4iv(ivec4UniformLoc, [v0, v1, v2, v4]);  // for ivec4 or ivec4 array

gl.uniform1i (sampler2DUniformLoc,   v);   // for sampler2D (textures)
gl.uniform1iv(sampler2DUniformLoc, [v]);   // for sampler2D or sampler2D array

gl.uniform1i (samplerCubeUniformLoc,   v); // for samplerCube (textures)
gl.uniform1iv(samplerCubeUniformLoc, [v]); // for samplerCube or samplerCube array

一般类型都有 bool，bvec2，bvec3 和 bvec4。他们相应的调用函数形式为 gl.uniform?f? 或 gl.uniform?i?。

可以一次性设置数组中的所有一致性变量。比如：

// in shader
uniform vec2 u_someVec2[3];

// in JavaScript at init time
var someVec2Loc = gl.getUniformLocation(someProgram, "u_someVec2");

// at render time
gl.uniform2fv(someVec2Loc, [1, 2, 3, 4, 5, 6]);  // set the entire array of u_someVec3

但是，如果程序希望单独设置数组中的成员，那么必须单个的查询每个成员的位置。 

// in JavaScript at init time
var someVec2Element0Loc = gl.getUniformLocation(someProgram, "u_someVec2[0]");
var someVec2Element1Loc = gl.getUniformLocation(someProgram, "u_someVec2[1]");
var someVec2Element2Loc = gl.getUniformLocation(someProgram, "u_someVec2[2]");

// at render time
gl.uniform2fv(someVec2Element0Loc, [1, 2]);  // set element 0
gl.uniform2fv(someVec2Element1Loc, [3, 4]);  // set element 1
gl.uniform2fv(someVec2Element2Loc, [5, 6]);  // set element 2

类似的，可以创建一个结构体。 

struct SomeStruct {
  bool active;
  vec2 someVec2;
};
uniform SomeStruct u_someThing;

程序可以单独的查询每一个成员。

var someThingActiveLoc = gl.getUniformLocation(someProgram, "u_someThing.active");
var someThingSomeVec2Loc = gl.getUniformLocation(someProgram, "u_someThing.someVec2");

顶点着色器中的纹理

参考片段着色器中的纹理

片段着色器

片段着色器的任务就是为当前被栅格化的像素提供颜色。它通常以下面的方式呈现出来。 

precision mediump float;

void main() {
   gl_FragColor = doMathToMakeAColor;
}

片段着色器对每一个像素都会调用一次。每次调用都会设置全局变量 gl_FragColor 来设置一些颜色。

片段着色器需要存储获取数据，通常有下面这三种方式。

  • 一致变量（每次绘制像素点时都会调用且一直保持一致）
  • 纹理（从像素中获取数据）
  • 多变变量（从定点着色器中传递出来且被栅格化的值）

片段着色器中的一致变量

参考顶点着色器中的一致变量。

片段着色器中的纹理

我们可以从纹理中获取值来创建 sampler2D 一致变量, 然后使用 GLSL 函数 texture2D 来从中获取值。 

precision mediump float;

uniform sampler2D u_texture;

void main() {
   vec2 texcoord = vec2(0.5, 0.5)  // get a value from the middle of the texture
   gl_FragColor = texture2D(u_texture, texcoord);
}

从纹理中提取的值是要依据很多设置的。最基本的，我们需要创建并在纹理中存储值。比如，

var tex = gl.createTexture();
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, tex);
var level = 0;
var width = 2;
var height = 1;
var data = new Uint8Array([255, 0, 0, 255, 0, 255, 0, 255]);
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, level, gl.RGBA, width, height, 0, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, data);

然后，在着色器程序中查询一致变量的位置。 

var someSamplerLoc = gl.getUniformLocation(someProgram, "u_texture");

WebGL 需要将它绑定到纹理单元中。 

var unit = 5;  // Pick some texture unit
gl.activeTexture(gl.TEXTURE0 + unit);
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, tex);

然后告知着色器哪个单元会被绑定到纹理中。 

gl.uniform1i(someSamplerLoc, unit);

多变变量

多变变量是从顶点着色器往片段着色器中传递的值,这些在WebGL 如何工作的已经涵盖了。

为了使用多变变量，需要在顶点着色器和片段着色器中均设置匹配的多变变量。我们在顶点着色器中设置多变变量。当 WebGL 绘制像素时，它会栅格化该值，然后传递到片段着色器中相对应的片段着色器。

顶点着色器 

attribute vec4 a_position;

uniform vec4 u_offset;

varying vec4 v_positionWithOffset;

void main() {
  gl_Position = a_position + u_offset;
  v_positionWithOffset = a_position + u_offset;
}

片段着色器

precision mediump float;

varying vec4 v_positionWithOffset;

void main() {
  // convert from clipsapce (-1 <-> +1) to color space (0 -> 1).
  vec4 color = v_positionWithOffset * 0.5 + 0.5
  gl_FragColor = color;
}

上面的例子是无关紧要的例子。它一般不会直接复制投影矩阵的值到片段着色器中。

GLSL

GLSL是图像库着色器语言的简称。语言着色器就是被写在这里。它具有一些 JavaScript 中不存在的独特的特性。 它用于实现一些逻辑来渲染图像。比如，它可以创建类似于 vec2，vec3 和 vec4 分别表示2、3、4个值。类似的，mat2，mat3 和 mat4 来表示 2x2,3x3,4x4 的矩阵。可以实现 vec 来乘以一个标量。 

vec4 a = vec4(1, 2, 3, 4);
vec4 b = a * 2.0;
// b is now vec4(2, 4, 6, 8);

类似的，可以实现矩阵的乘法和矩阵的向量乘法。

mat4 a = ???
mat4 b = ???
mat4 c = a * b;

vec4 v = ???
vec4 y = c * v;

也可以选择 vec 的部分，比如，vec4

vec4 v;
  • v.x 等价于 v.s，v.r，v[0]
  • v.y 等价于 v.t，v.g，v[1]
  • v.z 等价于 v.p，v.b，v[2]
  • v.w 等价于 v.q，v.a，v[3]

可以调整 vec 组件意味着可以交换或重复组件。 

v.yyyy

这等价于

vec4(v.y, v.y, v.y, v.y)

类似的

v.bgra

等价于

vec4(v.b, v.g, v.r, v.a)

当创建一个 vec 或 一个 mat时，程序可以一次操作多个部分。比如，

vec4(v.rgb, 1)

这等价于

vec4(v.r, v.g, v.b, 1)

你可能意识到 GLSL 是一种很严格类型的语言。 

float f = 1;  // ERROR 1 is an int. You can't assign an int to a float

正确的方式如下：

float f = 1.0;  // use float
float f = float(1)  // cast the integer to a float

上面例子的 vec4(v.rgb, 1) 并不会对 1 进行混淆，这是因为 vec4 是类似于 float（1）。

GLSL 是内置函数的分支.可以同时操作多个组件。比如，

T sin(T angle)

这意味着 T 可以是 float，vec2，vec3 或 vec4。如果用户在 vec4 中传递数据。也就是说 v 是 vec4，

vec4 s = sin(v);

折等价于

vec4 s = vec4(sin(v.x), sin(v.y), sin(v.z), sin(v.w));

有时候，一个参数是 float，另一个是 T。这意味着 float 将应用到所有的部件。比如，如果 v1，v2 是 vec4，f 是 flat，然后

vec4 m = mix(v1, v2, f);

这等价于

vec4 m = vec4(
  mix(v1.x, v2.x, f),
  mix(v1.y, v2.y, f),
  mix(v1.z, v2.z, f),
  mix(v1.w, v2.w, f));

可以在 WebGL 参考目录的最后一页查看 GLSL 函数。如果你希望查看一些仔细的可以查看 GLSL 规范.

混合起来看

WebGL 是关于创建各种着色器的，将数据存储在这些着色器上，然后调用 gl.drawArrays 或 gl.drawElements 来使 WebGL 处理顶点通过为每个顶点调用当前的顶点着色器，然后为每一个像素调用当前的片段着色器。

实际上，着色器的创建需要写几行代码。因为，这些代码在大部分 WebGL 程序中的是一样的，又因为一旦写了，可以几乎可以忽略他们如何编译 GLSL 着色器和链接成一个着色器程序。

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