WebGL 着色语言

源码：github.com/buglas/webg…

第一章 GLSL ES 概述和基本规范

GLSL ES是在GLSL（OpenGL着色器语言）的基础上，删除和简化了一部分功能后形成的，ES版本主要降低了硬件功耗，减少了性能开销。

实际上WebGL并不支持GLSL ES的所有特性，所以大家以后在WebGL API里可能会遇到部分参数无效的情况。

GLSL ES 是写在着色器中的，其具备以下基本规范：

1.大小写敏感

2.语句末尾必须要有分号

3.以main函数为主函数

4.注释语法和js 一样

• 单行: //
• 多行: /**/

5.基本数据类型：

• 数字型

  • 浮点型 float，如1.0
  • 整型 int，如1

• 布尔型 bool

  • true
  • false

接下来，咱们再说一下其它规范。

第二章 变量

1-声明变量的方法

GLSL ES是强类型语言，在声明变量的时候应该指明变量类型，如：

float f=1.0;
int i=1;
bool b=true;

2-变量命名规范

• 只能包括a-z,A-Z,0-9,_
• 变量名首字母不能是数字
• 不能是GLSL 关键字，如attribute,vec4,bool
• 不能是GLSL 保留字，如cast,class,long
• 不能以下单词开头：gl_, webgl_, webgl

3-变量的赋值

变量使用等号=赋值，=两侧的数据类型需要一致。

int i=8; // ✔
int i=8.0; // ✖
float f=8; // ✖
float f=8.0; // ✔

4-变量的类型转换

有时候，我们需要将类型a 的数据转成类型b 的数据，交给类型为b 的变量。

比如，我要把整形数字转成浮点型交给浮点型变量：

float f=float(8)

上面的float() 方法便是类型转换方法。

基础数据的转换有以下几种：

• 浮点转整数：int(float)
• 布尔转整数：int(bool)
• 整数转浮点：float(int)
• 布尔转浮点：float(bool)
• 整数转布尔：bool(int)
• 浮点转布尔：bool(float)

第三章 向量

1-向量类型

GLSL ES 支持2、3、4维向量，根据分量的数据类型，向量可以分为3类：

• vec2、vec3、vec4：分量是浮点数
• ivec2、ivec3、ivec4：分量是整数
• bvec2、bvec3、bvec4：分量是布尔值

2-向量的创建

在GLSL ES 中，向量占有很重要的地位，所以GLSL ES为其提供了非常灵活的创建方式。

比如：

vec3 v3 = vec3(1.0, 0.0, 0.5);   // (1.0, 0.0, 0.5)
vec2 v2 = vec2(v3);              // (1.0, 0.0) 
vec4 v4 = vec4(1.0);             // (1.0,1.0,1.0,1.0)

我们还可以将多个向量合在一起：

vec4 v4b=vec4(v2,v4);             // (1.0,0.0,1.0,1.0)

注：= 两侧的数据类型必须一致，比如下面的写法会报错：

vec4 v4 = vec2(1.0);   //错的    

3-向量分量的访问

向量分量的访问方式：

• 通过分量属性访问

v4.x, v4.y, v4.z, v4.w  // 齐次坐标
v4.r, v4.g, v4.b, v4.a  // 色值
v4.s, v4.t, v4.p, v4.q  // 纹理坐标

• 将分量的多个属性连在一起，可以获取多个向量

vec4 v4 = vec4(1.0,2.0,3.0,4.0); 
v4.xy //(1.0,2.0)
v4.yx //(2.0,1.0)
v4.xw //(1.0,4.0)

• 通过分量索引访问

v4[0], v4[1], v4[2], v4[3]

用上面的方法访问到向量后，也可以用=号为向量赋值。

如：

v4.x=1.0
v4[0]=1.0
v4.xy=vec2(1.0,2.0)

第四章 矩阵

1-矩阵的类型

GLSL ES 支持2、3、4维矩阵：

• mat2
• mat3
• mat4

矩阵中的元素都是浮点型。

2-矩阵的建立

GLSL ES 中的矩阵是列主序的，在建立矩阵的时候，其参数结构有很多种。

• 浮点数，其参数是按照列主序排列的。

mat4 m=mat4(
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
);
/*
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
*/

• 向量

vec4 v4_1=vec4(1,2,3,4);
vec4 v4_2=vec4(5,6,7,8);
vec4 v4_3=vec4(9,10,11,12);
vec4 v4_4=vec4(13,14,15,16);
mat4 m=mat4(v4_1,v4_2,v4_3,v4_4);
/*
[
    1,2,3,4,
    5,6,7,8,
    9,10,11,12,
    13,14,15,16
]    
*/

• 浮点+向量

vec4 v4_1=vec4(1,5,9,13);
vec4 v4_2=vec4(2,6,10,14);
mat4 m=mat4(
    v4_1,
    v4_2,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
);
/*
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16   
*/

• 单个浮点数

mat4 m=mat4(1);
/*
[
    1, 0, 0, 0,
    0, 1, 0, 0,
    0, 0, 1, 0,
    0, 0, 0, 1,
]    
*/

注：如矩阵中的参数数量大于1，小于矩阵元素数量，会报错

mat4 m4 = mat4(1.0,2.0);
/*报错*/

3-矩阵的访问

1.使用[] 可以访问矩阵的某一行。

mat4 m=mat4(
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
);
m[0]
/*
    1,5,9,13,
*/

注：在《WEBGL指南》里，这块知识他说有点让人费解，大家留意一下即可，这本书整体还是很好的，我备课就是参考这本书的思路走的。

2.使用 m[y][x] 方法，可以访问矩阵第y行，第x列的元素。

mat4 m=mat4(
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
);
m[0][0]
/* 1 */

3.m[y] 可以理解为一个向量，其内部的元素，可以像访问向量元素一样去访问。

mat4 m=mat4(
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
);
m[0].[0] //1
m[0].x //1
m[0].r //1
m[0].s //1

注：我们在此要注意一下[] 中索引值的限制。

[] 中的索引值只能通过以下方式定义：

• 整形字面量，如0，1，2，3

m[0]
m[1]

• 用const 修饰的变量

const int y=0;
m[y];

注：以下写法是错误的

int y=0;
m[y];

• 循环索引

mat4 n=mat4(
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
);
mat4 m=mat4(1);
void main(){
    for(int i=0;i<4;i++){
        m[i]=n[i];
    }
    ……
}

• 前面三项组成的表达式

const int y=0;
m[y+1];

第五章 运算符

GLSL ES 的运算符合js 类似。

1-算术运算符

运算符	描述	例子
+	加法	x = y + 2
-	减法	x = y - 2
*	乘法	x = y * 2
/	除法	x = y / 2
++	自增	x = ++y
		x = y++
--	自减	x = --y
		x = y--

2-赋值运算符

运算符	描述	例子
=	赋值等于	x = y
+=	加等于	x += y
-=	减等于	x -= y
*=	乘等于	x *= y
/=	除等于	x /= y

3-比较运算符

运算符	描述	比较
==	等于	x == 8
!=	不等于	x != 8
大于		x > 8
<	小于	x < 8
>=	大于或等于	x >= 8
<=	小于或等于	x <= 8

4-条件运算符

语法	例子
布尔 ?值1:值2	float f=2>3?1.0:2.0;

5-逻辑运算符

运算符	描述	例子
&&	和	true&&true=true;
			或	false		true=true; true		true=true;
!	非	!false=true;
^^	异或	false^^true=true; true^^true=false;

第六章 向量运算

向量可以与以下数据进行各种运算：

• 单独数字
• 向量
• 矩阵

1-向量和单独数字的运算

向量可以与单独数字进行加减乘除。

vec4 v=vec4(1,2,3,4);
v+=1.0;
v-=1.0;
v*=2.0;
v/=2.0;

vec4 是浮点型向量。

我们上例中，写在vec4() 中的整数可以被vec4() 方法转换成浮点数。

vec4 向量在做四则运算时，其用于运算的数字类型应该是浮点型。

比如，下面的写法会报错：

v+=1;

整型向量ivec2、ivec3、ivec4 的运算原理同上。

2-向量和向量的运算

1.加减乘除

vec4 p=vec4(1,2,3,4);
vec4 v=vec4(2,4,6,8);
v+=p;
v-=p;
v*=p;
v/=p;

2.其它方法

• distance(p0,p1) 向量距离
• dot(p0,p1) 点积
• cross(p0,p1) 叉乘
• ……

3-向量和矩阵的运算

矩阵只能与向量进行乘法运算。

向量乘以矩阵和矩阵乘以向量的结果是不一样的，但数据类型都是向量。

• 矩阵乘以向量

mat4 m=mat4(
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
);
vec4 p=vec4(1,2,3,4);
vec4 v=m*p;

/*
    [30, 70, 110, 150]
*/

以v.x为例说一下其算法：

v.x=m[0][0]*v.x+m[1][0]*v.y+m[2][0]*v.z+m[3][0]*v.w
v.x=1*1+2*2+3*3+4*4
v.x=1+4+9+16
v.x=30

• 向量乘以矩阵

  将上面的代码改一下：

vec4 v=p*m;

/*
    [90, 100, 110, 120]
*/

以v.x为例说一下其算法：

v.x=m[0][0]*v.x+m[1][0]*v.y+m[2][0]*v.z+m[3][0]*v.w
v.x=1*1+2*5+3*9+4*13
v.x=90

第七章 矩阵运算

矩阵可以与以下数据进行各种运算：

• 单独数字
• 向量
• 矩阵

1-矩阵和单独数字的运算

mat4 m=mat4(
    1,5,9,13,
    2,6,10,14,
    3,7,11,15,
    4,8,12,16
);
m+=1.0;
m-=1.0;
m*=2.0;
m/=2.0;

2-矩阵和矩阵的运算

矩阵和矩阵之间可以进行加减乘除。

以下面的两个矩阵为例：

mat4 m=mat4(
    2,16,8,8,
    4,8,8,8,
    8,4,8,8,
    16,8,8,8
);
mat4 n=mat4(
    1,4,1,2,
    2,4,2,1,
    4,4,1,2,
    8,4,2,1
);

1.矩阵加法：相同索引位置的元素相加

m+=n;

/*
    3, 20, 9, 10,
    6, 12, 10, 9,
    12, 8, 9, 10,
    24, 12, 10, 9,
*/

2.矩阵减法：相同索引位置的元素相减

m-=n;
/*
    1, 12, 7, 6,
    2, 4, 6, 7,
    4, 0, 7, 6,
    8, 4, 6, 7,
*/

3.矩阵除法：相同索引位置的元素相除

m/=n;
/*
    2, 4, 8, 4,
    2, 2, 4, 8,
    2, 1, 8, 4,
    2, 2, 4, 8,
*/

3.矩阵乘法

m*=n;
/*
    58, 68, 64, 64,
    52, 80, 72, 72,
    64, 116, 88, 88,
    64, 176, 120, 120,
*/

矩阵乘法规则，我们之前在说复合矩阵的时候说过。

以其结果的的第一列为例，再回顾一下其计算规则：

m[0][0]=m[0][0]*n[0][0]+m[1][0]*n[0][1]+m[2][0]*n[0][2]+m[3][0]*n[0][3]
m[0][0]=2*1+4*4+8*1+16*2
m[0][0]=58

m[1][0]=m[0][0]*n[1][0]+m[1][0]*n[1][1]+m[2][0]*n[1][2]+m[3][0]*n[1][3]
m[1][0]=2*2+4*4+8*2+16*1
m[1][0]=52

m[2][0]=m[0][0]*n[2][0]+m[1][0]*n[2][1]+m[2][0]*n[2][2]+m[3][0]*n[2][3]
m[2][0]=2*4+4*4+8*1+16*2
m[2][0]=64

m[3][0]=m[0][0]*n[3][0]+m[1][0]*n[3][1]+m[2][0]*n[3][2]+m[3][0]*n[3][3]
m[3][0]=2*8+4*4+8*2+16*1
m[3][0]=64

第八章 struct

struct 翻译过来叫结构体，它类似于js 里的构造函数，只是语法规则不一样。

1.struct 的建立

struct Light{
    vec4 color;
    vec3 pos;
};

上面的struct 类似于js 的function，color和pos 既是结构体的属性，也使其形参。

2.struct 的实例化

Light l1=Light(
    vec4(255,255,0,255),
    vec3(1,2,3)
);

上面的vec4()和vec3()数据是结构体的实参，分别对应color属性和pos属性。

3.访问struct 实例对象中的属性

gl_FragColor=l1.color/255.0;

第九章 数组

glsl 中的数组具有以下特性：

• 属于类型数组
• 只支持一维数组
• 不支持pop()、push() 等操作

1.在建立某个类型的数组时，在数据类型后面加[]即可，[]中要写数组的长度：

如：

vec4 vs[2];
vs[0]=vec4(1,2,3,4);
vs[1]=vec4(5,6,7,8);

2.数组的长度需要按照以下方式定义：

• 整形字面量

vec4 vs[2];

• const 限定字修饰的整形变量

const int size=2;
vec4 vs[size];

• 不能是函数的参数

3.数组需要显示的通过索引位置一个元素、一个元素的赋值。

vs[0]=vec4(1,2,3,4);
vs[1]=vec4(5,6,7,8);

4.数组中的元素需要用整形的索引值访问

gl_FragColor=vs[1]/255.0;

第十章 程序流程控制

1-if 判断

glsl 中的if 判断和js 里的if 写法是一样的。都有一套if、else if、else 判断。

如我们之前打印多个向量时写过的判断逻辑：

float dist=distance(gl_PointCoord,vec2(0.5,0.5));

if(dist>=0.0&&dist<0.125){
    gl_FragColor=m[0]/255.0;
}else if(dist>=0.125&&dist<0.25){
    gl_FragColor=m[1]/255.0;
}else if(dist>=0.25&&dist<0.375){
    gl_FragColor=m[2]/255.0;
}else if(dist>=0.375&&dist<0.5){
    gl_FragColor=m[3]/255.0;
}else{
    discard;
}

if 语句写太多会降低着色器执行速度，然而glsl 还没有switch 语句，大家需要注意一下。

2-for 循环

glsl 中的for循环和js类似；

for(初始化表达式; 条件表达式; 循环表达式){

​ 循环体;

}

for循环的基本规则如下：

• 循环变量只能有一个，只能是int或float 类型。
• 在循环体中也可以使用break或continue，其功能和js一样。

我们可以把之前打印多个向量的方法做一下修改：

float dist=distance(gl_PointCoord,vec2(0.5,0.5));
for(int i=0;i<4;i++){
    float r1=0.125*float(i);
    float r2=r1+0.125;
    if(dist>=r1&&dist<r2){
        gl_FragColor=m[i]/255.0;
        break;
    }else if(i==3){
        discard;
    }
}

上面的循环变量是整形，我们也可以将其变成浮点型：

for(float f=0.0;f<=4.0;f++){
    float r1=0.125*f;
    float r2=r1+0.125;
    if(dist>=r1&&dist<r2){
        gl_FragColor=m[int(f)]/255.0;
        break;
    }else if(f==3.0){
        discard;
    }
}

第十一章 函数

1-函数的建立

函数类型 函数名(形参){

​ 函数内容;

​ return 返回值;

}

2-示例

以颜色置灰的方法为例，演示一下函数的用法。

<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">
    precision mediump float;
    float getLum(vec3 color){
      return dot(color,vec3(0.2126,0.7162,0.0722));
    }
    void main(){
      vec3 color=vec3(255,255,0);
      float lum=getLum(color);
      vec4 v=vec4(vec3(lum),255);
      gl_FragColor=v/255.0;
    }
</script>

上面getLum() 便是获取颜色亮度值的方法。

让一个以rgb为分量的向量color与一套置灰的系数vec3(0.2126,0.7162,0.0722) 进行点积运算，便可得到一个亮度值。

dot(color,vec3(0.2126,0.7162,0.0722));

以此亮度值为rgb分量值的颜色便是对初始color 的置灰。

vec3 color=vec3(255,255,0);
float lum=getLum(color);
vec4 v=vec4(vec3(lum),255);

3-函数的声明

我们也可以将函数体放到其调用方法的后面，不过在调用之前得提前声明函数。

其声明方式如下：

函数类型 函数名(形参类型);
函数名(实参);
函数类型 函数名(形参){
    函数内容;
    return 返回值;
}

我们可以基于之前获取亮度的方法写一下：

precision mediump float;
float getLum(vec3);
void main(){
    vec3 color=vec3(255,255,0);
    float lum=getLum(color);
    vec4 v=vec4(vec3(lum),255);
    gl_FragColor=v/255.0;
}
float getLum(vec3 color){
    return dot(color,vec3(0.2126,0.7162,0.0722));
}

4-参数限定词

我们通过参数限定词，可以更好的控制参数的行为。

参数的行为是围绕参数读写和拷贝考虑的。

我们通过参数的限定词来说一下参数行为：

• in 参数深拷贝，可读写，不影响原始数据，默认限定词

precision mediump float;
void setColor(in vec3 color){
    color.x=0.0;
}
void main(){
    vec3 color=vec3(255);
    setColor(color);
    vec4 v=vec4(color,255);
    gl_FragColor=v/255.0;
}

在上面的主函数体中，我先声明了一个颜色color，我要通过setColor() 方法修改颜色。

当setColor() 方法中的形参color 被in 限定时，就相当于对实参进行了深拷贝，无论我在setColor() 方法里对color 做了什么，都不会影响原始的color 数据。

那么如果我想在setColor() 方法里修改原始的color数据，那就得使用out 限定。

• out 参数浅拷贝，可读写，影响原始数据。

void setColor(out vec3 color){
    color.x=0.0;
}

• const in 常量限定词，只读。

比如，下面的写法就是错的：

void setColor(in vec3 color){
    color.x=0.0;
}

我们只能读取color 数据：

void setColor(in vec3 color){
    float r=color.r;
}

• inout 功能类似于out，用得不多，知道即可。

注：GLSL ES 还有许多内置方法，比如sin(),cos(),tan,atan() 等，建议大家去官方文档看一下。

第十二章 变量的作用域

GLSL ES变量的作用域和es6 类似。

可以通过函数或{} 建立块级作用域，块级作用域内建立的变量就是局部变量。

局部变量只在块级作用域有效。

在函数之外建立的变量就是全局变量。

在代码块内可以直接获取其父级定义域的变量。

变量不存在“变量提升”现象，变量在使用时，需提前声明。

变量不能重复声明。

通过attribute、uniform、varying 限定字声明的变量都是全局变量。

const 可以声明常量，常量是只读的。

第十三章 精度限定词

精度限定词可以提高着色程序的运行效率，削减内存开支。

1-精度的分类

webgl 提供了三种精度：

• highp 高精度
• mediump 中精度
• lowp 低精度

一般中精度用得会比较多，因为高精度太耗性能，而且有时候片元着色器会不支持，而低精度又太low。

2-精度的定义方法

我可以为某个变量设置精度，也可以为某种数据类型设置精度。

比如:

设置某个变量的精度：

mediump float size;
highp vec4 position;
lowp vec4 color;

设置某种数据类型的精度：

precision mediump float;
precision highp int;

注：

着色器中，除了片元着色器的float 数据没默认精度，其余的数据都是有默认精度的。

因此，我们在片元着色器里要提前声明好浮点型数据的精度。

关于着色语言，我们就先说到这，接下来咱们说几个案例，来巩固咱们之前所学的着色语言。