Shader中的Uniform变量

在Shader编程中，Uniform 是一种特殊的全局变量，用于在CPU（应用程序）和GPU（Shader）之间传递数据。它的核心特点是：值由CPU设置，在Shader运行时保持常量（不可修改），但可以在不同渲染调用之间改变。

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关键特性

1. 只读性
   Shader代码中不能修改Uniform的值，它只能由CPU通过图形API（如OpenGL、WebGL、Vulkan等）设置。

2. 全局性
   在Shader的所有执行实例（如顶点着色器的每个顶点、片段着色器的每个像素）中，Uniform的值是相同的。

3. 高效传递
   Uniform的值存储在GPU的常量区域，访问速度快，适合传递低频变化的参数（如变换矩阵、光照参数等）。

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常见用途

Uniform通常用于传递以下数据：

• 变换矩阵：模型（modelMatrix）、视图（viewMatrix）、投影（projectionMatrix）。
• 光照参数：光源位置、颜色、强度。
• 材质属性：颜色、纹理采样器、反射系数。
• 时间变量：用于动画（如u_time控制动态效果）。

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代码示例

1. Shader中的声明（GLSL示例）

// 顶点着色器
uniform mat4 u_projectionMatrix;
uniform vec3 u_lightPosition;

void main() {
    gl_Position = u_projectionMatrix * vec4(position, 1.0);
}

2. CPU端设置Uniform（以WebGL为例）

// 获取Uniform位置
const projectionMatrixLoc = gl.getUniformLocation(program, "u_projectionMatrix");
const lightPosLoc = gl.getUniformLocation(program, "u_lightPosition");

// 设置Uniform的值
gl.uniformMatrix4fv(projectionMatrixLoc, false, projectionMatrix);
gl.uniform3f(lightPosLoc, 1.0, 2.0, 3.0);

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与其他变量的区别

变量类型	作用域	可修改性	传递方向	典型用途
Uniform	全局，跨Shader	CPU → GPU	低频全局参数	矩阵、光照、时间
Attribute	顶点级（顶点着色器）	CPU → GPU	逐顶点数据	顶点位置、法线、UV
Varying	顶点→片段着色器	GPU内部	插值数据	颜色、纹理坐标传递
Sampler	纹理采样器	CPU → GPU	纹理绑定	贴图引用

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注意事项

1. 性能优化
   Uniform的频繁更新可能引发性能问题，尽量合并相关参数（如将多个vec3组合成mat4）。
2. 兼容性
   不同Shader语言（GLSL、HLSL）中Uniform的语法可能略有差异。
3. 调试
   如果Uniform未正确设置，Shader可能使用默认值（如0或未定义行为），需检查设置代码和变量名是否匹配。

Uniform是Shader与外部世界沟通的桥梁，合理使用它能高效控制渲染效果。