这篇文章总结了一些GLSL语言的基础知识

GLSL总体上的写法和C语言相似

变量

声明变量的格式是这样的：

格式是变量类型 变量名=值;

比如我声明一个foo：

float foo=1.;

这样我就给float浮点类型的数字变量foo赋值了一个1.0

在写的时候是可以忽视0的，1.0可以写成1.，0.5可以写成.5

浮点型变量必须要有小数点，不能省略！

在写GLSL的时候一定要记得：

语句结尾一定要加一个分号;。这是新手最容易会犯的错误。

浮点型float可以说是GLSL里最常用的类型。

除此之外，还有比较常用的是int整型，代表了整数，它无需加小数点

int foo=1;

还有一种bool布尔型，代表逻辑值，即真（true）或假（false），通常用于条件判断和控制流程。

    bool foolBool = true;

    bool bar = fragCoord.x < iResolution.x * .25;

    if (bar) {
        fragColor = vec4(1., 0., 0., 1.);
    } else {
        fragColor = vec4(0., 1., 0., 1.);
    }

上面提到的变量都是一维变量（标量），如果想要声明更高维度的变量的话，就要用到vec类型（也就是向量类型）。

vec2 a=vec2(1.,0.);
vec3 b=vec3(1.,.5,0.);
vec4 c=vec4(1.,.5,0.,1.);

vec类型支持 3 种维度：二维vec2、三维vec3和四维vec4，四个维度分别为x、y、z、w（也可以写为r、g、b、a）。如果想对多维度变量进行取值或赋值操作，就要用到.符号，并且四个维度可以任意组合（称为Swizzling）。

vec2 d=b.xy;// d的值为vec2(1.,.5)
d.y=2.;// d的值为vec2(1.,2.)
vec3 e=c.yxy;// e的值为vec3(.5,1.,.5)，c.yxy可以理解为vec3(c.y,c.x,c.y)
e.zx=vec2(1.);// e的值为vec3(1.,1.,1.)

除了vec类型有更高的维度支持外，mat类型（也就是矩阵类型）亦是如此。mat2类型代表了一个大小是2x2的矩阵，mat3类型则代表了一个3x3的矩阵、mat4类型是4x4的矩阵。

  • 矩阵是一个二维数组，它的每一行代表一个向量。
  • 矩阵的每一列代表一个向量的分量。
  • 矩阵的行数和列数决定了矩阵的维度。
  • 矩阵的维度是一个二维向量，它的x分量代表行数，y分量代表列数。
    mat2 f = mat2(1., 0., 0., 1.);
    mat3 g = mat3(1., 0., 0., 0., 1., 0., 0., 0., 1.);
    mat4 h = mat4(1., 0., 0., 0., 0., 1., 0., 0., 0., 0., 1., 0., 0., 0., 0., 1.);

而我们要调用它也是很简单的：

    // 渲染矩阵
    fragColor = vec4(f[0].x, f[0].y, f[1].x, f[1].y);
  • 矩阵如何调用的？
  • 矩阵的调用方式是矩阵名行号。
  • 行号和列号都是从0开始的。
  • 矩阵的行号和列号都是整数，所以可以用整数变量来调用矩阵的元素。
  • f[0]就是矩阵f的第一行，f[1]就是矩阵f的第二行。
  • f[0].x就是矩阵f的第一行的第一列，f[0].y就是矩阵f的第一行的第二列。

如果想把多个变量捆绑到一个变量上，可以使用结构体struct，它的使用方式如下所示

    struct Foo {
        vec2 a;
        vec3 b;
        vec4 c;
    };

    Foo i;
    i.a = a;
    i.b = b;
    i.c = c;

    fragColor = vec4(i.a, i.b.x, i.c.y);

顺便提一嘴，vec4的变量是可以合起来的，比如上面的代码示例，vec4四维变量可以用vec2（x，y）+ z + w来组合起来，很灵活

在创建变量时，我们也可以先声明变量，然后再对它进行赋值操作，并且赋值是从右到左进行的，因此，我们可以同时给多个变量赋予同一个值。

    float one, two, three;
    one = two = three = 1.;

运算符

算数运算符

执行基本的四则运算

   float computA = 1.;
   float computB = 2.;

   float computC = computA + computB; // 3.
   float computD = computA - computB; // -1.
   float computE = computA * computB; // 2.
   float computF = computA / computB; // 0.5

   float g = mod(computA/computB) // 取余，值为1.

赋值运算符

用于将值赋给变量，赋值时也可同时进行算数运算。
（和一般编程语言差不多，比如a+=k这样的）

   float varA, varB, varC, varD;
   varA = varB = varC = varD = 3.;
   float varE = 2.;

   varA += varE; // varA = varA + varE; // 5.
   varB -= varE; // varB = varB - varE; // 1.
   varC *= varE; // varC = varC * varE; // 6.
   varD /= varE; // varD = varD / varE; // 1.5

除此之外，还有比较运算符（>,<,==等)、逻辑运算符(&&,||,!等)，这些运算符在一般的编程语言里也是有的，不多说了

唯一要注意的一点是：运算一定要保证维度的匹配，比如你不能将一个vec2的变量与一个vec3的变量相加，要加的话你得选取vec3变量的其中 2 个维度，转成vec2变量才能与另一个vec2变量相加。

    vec3 color = vec3(1., 0., 0.);
    vec2 uv = fragCoord / iResolution.xy;

    vec2 res = color.xy + uv;

当然，也有一种特殊的情况：当一个向量和一个标量进行运算时，GLSL会将标量广播（broadcast）到向量的每一个分量上。

当一个向量与一个标量进行数学运算时，这个标量会被自动扩展（或广播）到向量的每一个分量上。这意味着，标量的值将被应用于向量的每一个分量，执行相应的运算。

例如，考虑一个二维向量 vec2 和一个标量值。如果你进行减法运算，GLSL会将标量值分别减到向量的两个分量上：

vec2 a=vec2(1.);
a-=.5;// a的值为vec2(.5)

函数

当你想要复用一个代码片段时，只需要定义一个函数就行，比如说：

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

float c=add(1.,2.);// c的值为3.

函数要声明在main之外，并且从上到下调用，所以在main函数之前

一个函数包括返回类型（无返回类型为void）、函数名、带类型的参数和返回值（可选）。调用函数时也要严格遵循定义好的类型。

当然，GLSL本身也内置了相当多的函数，在以后我们会逐渐地碰到它们。

控制流

和常规的编程语言一样，GLSL有一些基本的控制流结构。

条件语句if，可以根据条件来执行不同的代码块。

if(condition){
    // ...
}else if(anotherCondition){
    // ...
}else{
    // ...
}

这里要注意一点：Shader是针对整个屏幕的像素进行处理的，因此if的所有分支只要满足一定的条件，都会被执行，也就是说，某一个分支对于其中一个点无效，那对应除了这个点之外的其他点可能就有效了。

循环语句for，可以用来重复执行一段代码。

for(int i=0;i<8;i++){
    // repeat ...
}

此外，还有while、do-while、switch这些常规的编程语言都支持的语句，这里就不再赘述了

变量限定符

变量限定符是用来描述变量的存储和使用方式的关键词。

它的书写格式是变量限定符 变量类型 变量名;，语句结尾要加分号，例如：

uniform vec3 uColor;

以上代码声明了一个uniform类型的名为uColor的 3 维向量。

在GLSL中，常用的变量限定符有以下几种：uniform、const、varying、attribute等。

目前我们先要了解uniform和const，其他的我们以后会碰到。

uniform

uniform变量是一种全局的变量，一旦定义后会同时存在于顶点着色器与片元着色器中，并且它在每一个顶点和片元上的值都是相同的，是一个“统一”的值。

在我们目前的Shader创作环境中，有一些内置的uniform变量可供我们直接使用，无需显式地去声明它们。

要注意的一点是：以后在three.js环境下，这些变量就不是内置的了，需要手动地去注入和声明。

iTime

iTime变量表示Shader从开始到现在执行所经过的时间。

如果要创作动画效果，这个变量可以说是必备的。

iResolution

iResolution变量表示Shader所在画布的大小，默认是占满整个屏幕。

有时我们可能会根据屏幕的比例对Shader的坐标进行适当的调整。

iMouse

iMouse变量表示用户鼠标当前所在的位置。

如果要创作可交互的效果，这个变量也是必备的。

const

const定义的量是一种常量，它是无法被改变的一个值。
比如我声明一个圆周率

const float PI=3.14159265359;

宏

宏（macros）是一种预处理指令，用于在编译时进行文本的替换，常用于定义常量、函数、条件编译等。

宏定义的格式是#define 宏的名称 宏的值，语句结尾没有分号

#define PI 3.14159265359

以上代码定义了一个名为PI的宏，Shader编译时会将所有的PI替换为3.14159265359这个值，可以类比为JS的String.replace这个函数。

宏也可以带有参数，如下所示：

#define add(a,b) a+b

以上代码定义了一个名为add的宏，接受 2 个参数a和b，对它们应用相加的运算，并且无需指定明确的类型，调用这个宏时只要参数的类型相匹配，就能正确执行宏定义的运算。

宏也可以条件编译，例如：

#define IS_IN_SHADERTOY 1

#if IS_IN_SHADERTOY==1
#define iChannel0Cube iChannel0
#endif

这个宏的#if部分会判断IS_IN_SHADERTOY这个宏的值是否为 1，是的话就会将下面的一行宏代码#define iChannel0Cube iChannel0包含到Shader代码中去，不是的话就忽略掉这行宏代码

需要注意的是，宏定义是一种文本替换机制，并没有类型检查和作用域限制，因此要根据实际的情况来使用它。

最后修改：2024 年 12 月 13 日
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