第2章：GLSL基础

目录

2.1 GLSL程序的基本结构

2.2 变量声明和数据类型

2.3 向量和矩阵操作

2.4 控制流语句

小结

       在本章中，我们将深入探讨GLSL（OpenGL Shading Language）的基础知识。这些基础知识包括GLSL程序的基本结构、变量声明和数据类型、向量和矩阵操作以及控制流语句。掌握这些基础概念对于编写有效的GLSL着色器至关重要。

2.1 GLSL程序的基本结构

       GLSL着色器程序的基本结构相对简单，但其设计和实现却非常关键。以下是一个典型的GLSL程序的组成部分：

• 着色器类型：GLSL程序可以包含多种类型的着色器，每种类型负责不同的渲染任务。最常见的着色器类型包括顶点着色器、片段着色器、几何着色器等。
• 版本声明：每个GLSL着色器程序的开头需要声明使用的GLSL版本。
• 输入和输出变量：着色器通过输入和输出变量在不同的着色器阶段之间传递数据。
• 主函数：每个着色器都必须包含一个 main() 函数，这是着色器的入口点，用于执行着色器的主要逻辑。

示例：GLSL顶点着色器的基本结构

#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 aPos; // 顶点位置输入变量
layout(location = 1) in vec3 aColor; // 顶点颜色输入变量

out vec3 vertexColor; // 从顶点着色器传递到片段着色器的输出变量

uniform mat4 model; // 模型变换矩阵
uniform mat4 view;  // 视图变换矩阵
uniform mat4 projection; // 投影变换矩阵

void main() {
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); // 计算最终的顶点位置
    vertexColor = aColor; // 传递顶点颜色到片段着色器
}

示例：GLSL片段着色器的基本结构

#version 330 core

in vec3 vertexColor; // 从顶点着色器接收的输入变量
out vec4 FragColor; // 输出到屏幕的颜色值

void main() {
    FragColor = vec4(vertexColor, 1.0); // 设置片段颜色
}

解释：

• #version 330 core：声明使用GLSL版本330核心配置。
• layout(location = 0) in vec3 aPos：定义输入变量 aPos，表示顶点位置。
• uniform mat4 model：声明一个uniform变量 model，用于传递变换矩阵。
• void main()：主函数是执行着色器程序的入口点。

2.2 变量声明和数据类型

       在GLSL中，变量的声明和数据类型选择对着色器的功能和性能具有重要影响。GLSL支持多种数据类型，包括标量、向量和矩阵，每种类型有其特定的用途和操作方式。

• 标量：
  • float：表示单精度浮点数，用于存储数值型数据。
  • int：表示整数，用于存储整数型数据。
  • bool：表示布尔值，存储 true 或 false。

示例：

float myFloat = 1.0;
int myInt = 5;
bool myBool = true;

• 向量：
  • vec2：表示二维向量，通常用于存储位置或颜色数据的两个分量。
  • vec3：表示三维向量，常用于表示位置、颜色或方向的三个分量。
  • vec4：表示四维向量，通常用于表示齐次坐标（如顶点位置）或颜色（包含透明度）。

示例：

vec2 position2D = vec2(1.0, 2.0); // 二维向量
vec3 color = vec3(1.0, 0.5, 0.2); // 三维向量（颜色）
vec4 position4D = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 1.0); // 四维向量（齐次坐标）

• 矩阵：
  • mat2：2x2矩阵，用于二维变换。
  • mat3：3x3矩阵，用于三维变换。
  • mat4：4x4矩阵，用于更复杂的三维变换（如模型变换、视图变换和投影变换）。

示例：

mat4 transformationMatrix = mat4(1.0); // 4x4单位矩阵

矩阵操作：

• 矩阵乘法：用于将变换应用到向量上。
• 矩阵转置和逆矩阵：用于处理更复杂的变换和计算。

2.3 向量和矩阵操作

       在GLSL中，向量和矩阵操作是图形编程的核心，通常用于坐标变换和几何计算。

• 向量操作：

  • 加法：vec3 a = vec3(1.0, 2.0, 3.0); vec3 b = vec3(4.0, 5.0, 6.0); vec3 c = a + b;
  • 减法：vec3 d = b - a;
  • 点积：float dotProduct = dot(a, b); 用于计算两个向量的夹角。
  • 叉积：vec3 crossProduct = cross(a, b); 用于计算两个向量的垂直向量。
  • 归一化：vec3 normalized = normalize(a); 用于将向量长度归一化为1。

• 矩阵操作：

  • 矩阵乘法：mat4 modelViewProjection = projection * view * model;
  • 矩阵转置：mat4 transposedMatrix = transpose(matrix);
  • 矩阵逆：mat4 inverseMatrix = inverse(matrix);

示例：矩阵与向量的变换

// 计算模型-视图-投影矩阵
mat4 modelViewProjection = projection * view * model;
vec4 transformedPosition = modelViewProjection * vec4(aPos, 1.0);

2.4 控制流语句

       控制流语句用于在GLSL着色器中执行条件判断和循环操作，使得着色器能够处理复杂的逻辑和算法。

• 条件语句：

  • if-else：用于条件判断。
  • 示例：

    if (a > b) {
        // 代码块
    } else {
        // 代码块
    }
    

• 循环语句：

  • for：用于固定次数的循环。
  • while：用于条件满足时的循环。
  • do-while：与while类似，但至少执行一次。
  • 示例：

    // for循环示例
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        // 代码块
    }
    
    // while循环示例
    int j = 0;
    while (j < 10) {
        // 代码块
        j++;
    }
    

• 分支和循环控制：

  • discard：用于丢弃当前片段（片段着色器中）。
  • break：用于退出循环。
  • continue：用于跳过当前循环的剩余部分。

示例：条件判断和循环

void main() {
    // 条件判断
    if (gl_FragCoord.x < 0.5) {
        FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 红色
    } else {
        FragColor = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0); // 蓝色
    }

    // 循环
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        // 计算过程
    }
}

小结

       本章介绍了GLSL的基本结构和核心概念，包括程序的基本结构、变量声明和数据类型、向量和矩阵操作、以及控制流语句。掌握这些基础知识对于编写高效的GLSL着色器和实现各种图形效果至关重要。