GLSL语言

1. 引言

GLSL（OpenGL Shading Language）是一种用于编写着色器程序的编程语言，语法和C语言比较类似。

GLSL于2003年首次引入，作为OpenGL图形API的一部分，用于编写着色器程序。GLSL不仅在OpenGL中使用，还在其他图形API中得到了广泛应用，包括Vulkan和WebGL等。

2. 数据类型

2.1 基本数据类型

• 整数类型：int（32位整数）、uint（无符号32位整数）
• 布尔值：bool
• 浮点类型：float（单精度浮点数）、double（双精度浮点数）

• GLSL没有指针、字符、字符串

  //true/false
  bool bDone = false;
  int iValue = 42;
  uint uiValue = 32u;
  float fValue = 3.14159f;

2.2 矢量数据类型

矢量数据类型，用于同时处理多个数值。这些数据类型是浮点数或整数的数组，通常用于执行并行计算或者处理顶点和颜色等向量数据。

• vec2、vec3和vec4：表示2维、3维和4维浮点型向量。例如，vec3可以用来表示三维空间中的坐标。
• ivec2、ivec3和ivec4：表示2维、3维和4维整型向量。
• uvec2、uvec3和uvec4：表示2维、3维和4维无符号整型向量。
• bvec2、bvec3和bvec4：表示2维、3维和4维bool型向量。

vec4 v1;      // 未初始化的向量
vec4 v2 = vec4(1,2,3,4);  // 用四个单独的数值初始化
vec4 v3 = vec4(0,0,0,0);  // 用四个0初始化

我们可以对向量进行各种操作，包括加法、减法、乘法等：

v1 = v2 + v3;   // 向量加法
vec4 v4 = v1;    // 向量复制
v1 += vec4(10,10,10,10);  // 向量加法赋值
v1 *= 5;        // 向量乘法

此外，我们还可以对向量的各个分量进行单独的操作：

v1.x = 3.0f;    // 设置向量的x分量
v1.y = 4.0f;    // 设置向量的y分量
v1.z = 5.0f;    // 设置向量的z分量
v1.w = 1.0f;    // 设置向量的w分量

我们还可以对向量的各个分量进行一起操作：

v1.xy = vec2(1,2);
v1.xyz = vec3(1,2,3);

// 获取向量的元素，可以通过r,g,b,a来获取向量中元素。
v2.r = 1.0f;
v2 = vec4(1.0f,1.0f,1.0f,1.0f);

// 获取向量元素，可以s,t,p,q来获取纹理坐标控制
v1.st=vec2(1.0,2.0);v1. st = v2. st:

// 不可以如下，xt不允许混合
v1.st = v2.xt 

// 向量数据类型还可swizzle (调换)操作
// 将颜色数据RGB顺序转化BGR顺序
v1.bgra = v2.rgba;

// 向量的一次性所有分量操作
v1.x = v2.x + 5.0f;
v1.xyz = v2.xyz + vec3(5.0f,4.0f,1.0f);

2.3 矩阵类型

所有的矩阵类型只支持浮点数，不支持整数、bool类型。

mataxb, a = [2,3,4], b = [2,3,4], a是列数，b是行数

mat4 m1;
vec4 v2;
vec4 vOutPos ;

// 矩阵和向量相乘
m1 = mat4(
    1.0,1.0,1.0,1.0,
    1.0,1.0,1.0,1.0,
    1.0,1.0,1.0,1.0,
    1.0,1.0,1.0,1.0,
)
vOutPos = v2 * m1;
m1 = mat4(1.0f);

3. 变量和常见限定符

3.1 变量声明方式

在GLSL中，变量是用于存储和操作数据的关键元素。在声明变量时，需要指定其数据类型、名称以及可能的限定符：

数据类型 变量名;

• 输入变量：从外部(客户端/上一个阶段着色器传递的属性/Uniform等)。
• 输出变量：从任何着色器阶段进行写入的变量。

3.2 常见限定符

限定符是一种用于指定变量的作用域和存储方式的关键词。

以下是一个使用限定符的变量声明示例：

uniform mat4 projectionMatrix; // 一个uniform矩阵
varying vec4 vertexColor; // 一个varying颜色向量
attribute vec3 position; // 一个attribute位置向量

3.3 内置变量

GLSL中有一些内置变量，它们在着色器程序中自动定义，用于与渲染管线和渲染过程进行通信。这些内置变量提供了关于顶点、片元和渲染状态的信息。以下是一些常见的GLSL内置变量：

1. 顶点着色器内置变量：
2. gl_Position： 表示顶点的位置，通常是经过变换后的坐标。该变量必须在顶点着色器中设置，以确定绘制的位置。
3. gl_PointSize： 表示点粒子的大小。通常在点粒子渲染时使用。
4. 片元着色器内置变量：
5. gl_FragColor： 表示片元（像素）的颜色。通过设置这个变量的值，您可以确定渲染到屏幕上的像素颜色。
6. gl_FragCoord： 表示片元的屏幕坐标。可以用于执行特定的片元操作，例如根据屏幕坐标更改片元颜色。
7. gl_FrontFacing： 表示片元是否在正面（front-facing）或背面（back-facing）多边形上。这对于执行不同的片元操作，例如剔除背面多边形，非常有用。
8. gl_FragDepth： 表示片元的深度值。在需要自定义深度值的情况下，可以使用这个变量。
9. 通用内置变量：
10. gl_TextureCoord[]： 表示纹理坐标的数组，用于访问纹理。根据使用的纹理单元和纹理类型，可能会有多个 gl_TextureCoord。
11. gl_ModelViewMatrix 和 gl_ProjectionMatrix： 表示模型视图矩阵和投影矩阵。这些矩阵通常用于变换顶点位置。
12. gl_NormalMatrix： 表示法线矩阵，用于法线的变换。
13. gl_LightSource[]： 表示光源的属性，例如位置、颜色和强度。可以用于执行光照计算。
14. gl_LightModel： 表示光照模型，包括环境光和局部光照。

4. GLSL编程基础

4.1 语法和语句

• GLSL语句必须以分号（;）结尾，表示语句的结束。

  float x = 5.0;

• 代码块通常使用大括号（{}）括起来，以表示作用域。

  if (condition) {
    // 代码块
  }

• 注释: GLSL支持C风格的注释，包括单行注释（//）和多行注释（/ /）。
• 大小写敏感： GLSL是大小写敏感的语言，因此变量名和函数名必须与其声明时的大小写完全匹配。

• 赋值语句： 用于给变量赋值，通常采用以下形式：

  variable = expression;

• 条件语句： GLSL支持if语句，允许根据条件执行不同的代码块。

  if (condition) {
    // 在条件为真时执行的代码
  } else {
    // 在条件为假时执行的代码
  }

• 循环： GLSL支持for和while循环，允许多次执行相同的代码块，直到满足特定条件为止。

  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 循循环执行的代码
  }
  
  while (condition) {
    // 循环执行的代码
  }
  

• 表达式： 表达式是由操作数和操作符组成的计算单元。GLSL支持各种数学运算，例如加法、减法、乘法和除法。例如：

  float result = x + y * 2.0;

• 函数调用： GLSL支持函数调用，允许执行预定义的内置函数或自定义函数。例如：

float distance = length(vec3(x, y, z));

4.2 运算符和函数

4.2.1 运算符

GLSL支持各种数学和逻辑运算符，用于执行不同类型的运算。一些常见的运算符包括：

• 算术运算符：+（加法）、-（减法）、*（乘法）、/（除法）、%（取余）等。
• 关系运算符：<（小于）、>（大于）、<=（小于等于）、>=（大于等于）、==（等于）、!=（不等于）等。
• 逻辑运算符：&&（与）、||（或）、!（非）。
• 位运算符：&（按位与）、|（按位或）、^（按位异或）、<<（左移位）、>>（右移位）等。
• 赋值运算符：=、+=、-=、*=、/= 等。

4.2.2 函数

在GLSL中，函数的声明方式与其他编程语言类似，包括函数名称、参数列表和返回类型。以下是函数声明的基本格式：

返回类型 函数名称(参数类型 参数名称, 参数类型 参数名称, ...) {
    // 函数体
    return 返回值; // 可选
}

• 返回类型： 这是指定函数返回的数据类型，可以是整数、浮点数、向量、矩阵或其他数据类型。如果函数不返回任何值，可以使用void作为返回类型。
• 函数名称： 函数的名称是用来调用函数的标识符。
• 参数列表： 参数列表包括函数接受的参数，每个参数由参数类型和参数名称组成。参数列表用括号括起来，多个参数之间用逗号分隔。
• 函数体： 函数体包含函数执行的实际操作，即函数的主体。在函数体中，可以执行各种操作和计算。
• 返回值： 函数可以返回一个值，这个值的类型必须与函数的声明中的返回类型匹配。如果函数声明中的返回类型是void，则可以省略return语句。

函数声明示例：

float add(float a, float b) {
    float result = a + b;
    return result;
}

4.2.3 main函数

在GLSL编程中，每个着色器程序都需要包含一个名为 main 的特殊函数，这个函数充当着色器程序的入口点。 main 函数是由OpenGL或其他图形库调用的函数，用于执行特定的着色器阶段（例如，顶点着色器或片元着色器）。以下是 main 函数的一般形式：

void main() {
    // 着色器程序的主要代码
}

4.2.4 内置函数

GLSL提供了广泛的内置函数，用于执行各种数学、向量和矩阵操作。一些常见的内置函数包括：

• 数学函数：sin()、cos()、tan()、sqrt()、exp()、log() 等，用于执行常见的数学运算。
• 向量函数：length()、normalize()、dot()、cross() 等，用于处理向量操作。
• 矩阵函数：mat4()、transpose()、inverse() 等，用于执行矩阵操作。
• 其它函数：GLSL还提供了各种其它函数，包括处理颜色、纹理、几何和辅助函数等。

这些内置函数帮助开发者执行各种复杂的数学和数据操作，从而实现图形渲染和通用计算任务。

5. GLSL代码文件形式

5.1 后缀名

GLSL并没有规定着色器语言后缀名，为了方便开发者理解，一般使用统一的后缀名对着色器进行区分。
比如一个项目中，可以使用以下后缀:

• vsh: 顶点着色器
• fsh: 片元着色器

5.2 文件中代码组织形式

一个着色器一般书写再同一个文件中，不能像c语言那样包含多个文件。

一个顶点着色器示例 some.vsh：

attribute vec4 position;
attribute vec2 textCoordinate;
uniform mat4 rotateMatrix;
varying lowp vec2 varyTextCoord;

void main(){
    varyTextCoord = textCoordinate;
    vec4 vPos = position;
    vPos = vPos * rotateMatrix;
    gl_Position = vPos;
}

一个片元着色器示例 some.fsh：

varying lowp vec2 varyTextCoord;
uniform sampler2D colorMap;

void main(){
    gl_FragColor = texture2D(colorMap, varyTextCoord);
}