GLSL ES 1.0

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GLSL ES 概述

写在前面

  • 程序是大小写敏感的
  • 每一个语句都应该以英文分号结束
  • 一个shader必须包含一个main函数，该函数不接受任何参数，并且返回void 
    void main()
{
}

数据值类型

GLSL支持三种数据类型：

  • 整型
  • 浮点型：必须包含小数点，不然会被认为是浮点型，比如1表示整形，1.0才表示浮点型
  • 布尔类型

GLSL是强类型语言，这意味着：

  • 将浮点数赋值给一个整型变量是不对的，同理，将一个整数赋值给浮点数变量也不被允许 
    // 会报错,错误信息如下：
// Failed to compile shader: ERROR: 0:56: '=' :
// cannot convert from 'const int' to 'mediump float'
float a1 = 1;

// 会报错,错误信息如下：
// Failed to compile shader: ERROR: 0:56: '=' : 
// cannot convert from 'const float' to 'mediump int'
int a1 = 1.0;
  • 在一个计算表达式中，必须统一数据类型，比如一个包含浮点数的表达式中，不能使用整型数据，这个经常由于不小心的书写导致编译失败。 
    // 会报错
// Failed to compile shader: ERROR: 0:57: '*' : 
// wrong operand types - no operation '*' exists that 
// takes a left-hand operand of type 'mediump float' 
// and a right operand of type 'const int'
float a1 = 1.0;
float a2 = a1 * 3;

数据转换

虽然GLSL是强类型语言，但是我们可以通过显示转换实现数据类型的转变，比如我们可以使用float()将数据类型转换为浮点数，GLSL支持float、int和bool的相互转换

// 将整数转换为浮点数
float(int)
// true被转换为1.0 false被转换为0.0
float(bool)
// 将浮点数的小数删去，整数部分转换为整型
int(float)
// 	true被转换为1 false被转换为0
int(bool)
// 0.0被转换为false，其他值转换为true
bool(float)
// 0被转换为false，其他值转换为true
bool(int)

矢量和矩阵

GLSL可以通过基本数值类型组合成矢量和矩阵，矢量的数据类型可以是浮点数，整数和bool值，但是矩阵WebGL1.0只支持浮点数

矢量

  • vec2, vec3, vec4：具有2、3、4浮点数元素的矢量
  • iec2, ivec3, ivec4：具有2、3、4整数元素的矢量
  • bec2, bec3, bec4：具有2、3、4bool值元素的矢量

矩阵

  • mat2：2×2浮点数矩阵
  • mat3：3×3浮点数矩阵
  • mat4：4×4浮点数矩阵

赋值构造

在给矢量或者矩阵赋值的时候，必须遵循：

  • 赋值两边的数据类型必须一致，不然会报错
  • 赋值两边的元素个数必须一致
  • 对于矩阵，默认的构造顺序是按照列主序的
  • 对于矩阵，如果只传递了一个数值，会构造一个对角线都是该值，其他值都是0的矩阵

访问

访问矢量和矩阵可以有两种方式，一种是通过.运算符，一种是通过[]
使用点运算符访问有三种访问方式：

  • x,y,z,w：分别对应矢量的第1、2、3、4个分量，注意：矩阵是不能用该方式访问的
  • r,g,b,a：分别对应矢量的第1、2、3、4个分量，注意：矩阵是不能用该方式访问的
  • s,t,p,q：分别对应矢量的第1、2、3、4个分量，注意：矩阵是不能用该方式访问的

对于每一种访问方式，都可以混合使用，比如:

// 下面这些访问方式都是正确的
vec4 a1 = vec4(1.0, 1.1, 1.2, 1.3);
float b1 = a1.x;
vec2 c1 = a1.xy;
vec2 d1 = a1.yx;
vec2 e1 = a1.xx;

但是不同访问方式之间不可以混合使用

矩阵的访问更简单，类似于C语言的数组访问，使用[]，从0开始，0表示第一项，使用[]访问的时候需要注意：

  • 矩阵是列主序的
  • []必须是整型字面值或者const整型或者循环索引或者三者的组合表达式

运算

如果一个矢量和一个数值进行运算，结果是该数值和矢量的每个分量进行运算
如果一个矩阵和一个数值进行运算，结果是该数值和矩阵的每个分量进行运算

结构体

GLSL使用如下方式定义一个结构体：

struct light
{
	vec4 color;
	vec3 position;
};
light l1;
light l2;

使用点运算符访问结构体的成员。

数组

GLSL中可以使用数组，但是只可以使用一维数组
以下是数组的声明方式：

float floatArray[4];
vec4 vec4Array[3];

数组的长度必须是大于0的整型常量表达式：

  • 整型字面值
  • 用const限定符修饰的全局变量或者局部变量
  • 由前面两条组成的表达式

注意：在使用数组的时候，数组的索引只可以是整型常量表达式或者uniform变量。
注意：数组不可以在声明的时候直接初始化，必须显示的对每个元素进行初始化。

采样器

GLSL支持一种内置类型-采样器，我们只能通过采样器来获取纹理的数据。
GLSL ES1.0支持两种采样器类型：

  • sampler2D：二维纹理贴图
  • samplerCube：三维纹理贴图

采样器只能是uniform变量

我们通过GLSL提供的内置函数来从采样器中访问纹理数据，内置函数有两类，可以参考文章WebGL 1.0 内置函数

唯一能赋值给采样器变量的就是纹理单元编号，而且你必须使用WebGL方法

gl.uniform1i(u_Sampler, 纹理单元编号);

for循环

GLSL中可以使用for循环，和C语言很像，但是有些限制：

  • 循环变量只能有一个
  • 循环变量只能是int或者float
  • 循环变量只能和整型常量做比较
    有些时候，循环变量的比较对象我们可能期望是一个uniform传递过来的动态值。这个时候直接进行比较是不可以的，一种处理的办法是给一个足够大的比较值，然后在循环体内部判断循环变量和uniform变量的大小
  • 在循环体内，循环变量不可以被赋值

discard

discard只能在片元着色器使用，表示放弃当前片元的处理。

函数

GLSL的函数和C语言类似，如果我们在函数定义前就调用了函数，需要先对函数进行声明。

对于函数的参数，我们可以为参数指定限定词，以控制参数的行为。
函数参数的限定词有下面几种：

  • in：这是默认的限定词。值传递，函数内部修改参数的值不会影响传入的值
  • const in：也是值传递，但是函数内部不可以修改该值
  • out：引用传递，类似于C语言的指针或者C++的引用，内部修改会影响传入参数的值。
  • inout：和out一样也是引用传递，但是和out不同之处为out不应该对传入的值抱有期待，out主要为了传递出函数内部的值。而inout表明该参数既要被函数使用，也要被函数修改。

存储限定符

GLSL中的存储限定符有四种：

  • attribute
  • uniform
  • varying
  • const

const

表明当前变量不可以被修改，是一个常量
const变量定义时就需要赋值。

attribute

  • attribute变量只能出现在顶点着色器
  • attribute只能声明为全局变量
  • 在GLSL ES1.0中，attribute只能是float、vec2、vec3、vec4、mat2、mat3、mat4
  • 可以通过访问内置的全局变量gl_MaxVertexAttribs来获取attribute变量支持的数目，对于WebGL环境，最小为8

attribute表示逐顶点数据，应该传递顶点独有的属性数据，对于所有顶点共有的属性，应该使用uniform

uniform

  • uniform变量在顶点着色器和片元着色器中都可以使用
  • uniform只能声明为全局变量
  • uniform变量是只读的
  • 对于GLSL ES1.0，uniform不能声明为数组或者结构
  • 如果在顶点着色器和片元着色器声明了同名的uniform变量，该变量会被两个着色器共享。
  • 可以通过访问内置的全局变量gl_MaxVertexUniformVectors获取顶点着色器支持的uniform变量数量，通过访问内置的全局变量gl_MaxFragmentUniformVectors获片元着色器支持的uniform变量数量，对于WebGL环境，gl_MaxVertexUniformVectors最小为128，gl_MaxFragmentUniformVectors最小为16

varying

  • varying的目的是从顶点着色器传递数据到片元着色器。
  • varying成对出现，并且在顶点着色器和片元着色器中的名称和类型一致。
  • varying只能是全局变量
  • varying的类型和attribute一致

varying的中文翻译是变化的意思，既然为了传递数据，为什么用这么个名字呢？
原因就是我们在片元着色器中看到的varying变量虽然和顶点着色器中的名称和类型一致，但数据已经不一样了，看下面的代码：

// 顶点着色器
attribute vec2 a_Position;
attribute vec3 a_Color;
varying vec3 v_Color;
void main() {
	v_Color = a_Color;
  	gl_Position = vec4(a_Position.x,a_Position.y,0.0,1.0);
}`;

// 片元着色器
varying vec3 v_Color;
void main()
{
	gl_FragColor = vec4(v_Color,1.0);
}

我们过一下其中的过程：

  1. 顶点着色器将每个顶点的颜色赋值给v_Color，如果有100个顶点，就有100个v_Color值
  2. 从顶点着色器到片元着色器的过程中，发生了光栅话，就是说在这个过程中，根据绘制的图形，会对v_Color进行插值
  3. 片元着色器中的v_Color是每个片元插值后的值。所以，采用了varying这个名称来标记光栅话的过程

从上面的解释可以看出，一般而言，varying都是针对于attribute变量的传递，所以，varying变量的数据类型和attribute变量是一致的。

可以通过访问内置的全局变量gl_MaxVaryingVectors获取着色器支持的varying变量数量，对于WebGL环境，gl_MaxVaryingVectors最小为8

最后，给出一张不同限定符数据在GPU中的传递图

精度限定符

定义

GLSL ES 新引入了精度限定符，目的是帮助着色器程序提高运行效率，削减内存开支。 顾名思义，精度限定符用来表示每种数据具有的精度 (比特数)。简而言之，高精度的程序需要更大的开销 (包括更大的内存和更久的计算时间)，而低精度的程序需要的开销则小得多。使用精度限定符，你就能精细地控制程序在效果和性能间的平衡。

作用

精度限定符有两个作用：

  • 对于浮点数和采样器，精度限定符限制了精度和取值范围
  • 对于整型数据，精度限定符限制了取值范围

三种精度类型

因为我们使用采样器的时候，传递的也是浮点纹理坐标，所以我们总结一下不同的精度限定符对float和int的影响：

  • highp：高精度，顶点着色器的最低精度
    • 对于float，取值范围为

      (

      −

      2

      62

      ,

      2

      62

      )

      (-2^{62},2^{62})

      (−262,262)，精度范围

      2

      −

      16

      2^{-16}

      2−16

    • 对于int，取值范围为

      (

      −

      2

      16

      ,

      2

      16

      )

      (-2^{16},2^{16})

      (−216,216)

  • mediump：中精度，片元着色器的最低精度
    • 对于float，取值范围为

      (

      −

      2

      14

      ,

      2

      14

      )

      (-2^{14},2^{14})

      (−214,214)，精度范围

      2

      −

      10

      2^{-10}

      2−10

    • 对于int，取值范围为

      (

      −

      2

      服务器托管网 10

      ,

      2

      10

      )

      (-2^{10},2^{10})

      (−210,210)

  • lowp：低精度
    • 对于float，取值范围为

      (

      −

      2

      ,

      2

      )

      (-2,2)

      (−2,2)，精度范围

      2

      −

      8

      2^{-8}

      2−8

    • 对于int，取值范围为

      (

      −

      2

      8

      ,

      2

      8

      )

      (-2^{8},2^{8})

      (−28,28)

实际上，对于现在的机器，大部分的值和上面的默认值不一样，
我们可以使用下面的js方法获取不同精度的描述信息：

getShaderPrecisionFormat(shaderType, precisionType)
  • shaderType：表示着色器类型，可以是gl.FRAGMENT_SHADER或者gl.VERTEX_SHADER
  • precisionType：要查询的精度限定符类型，可以是：

    • gl.LOW_FLOAT
    • gl.MEDIUM_FLOAT
    • gl.HIGH_FLOAT
    • gl.LOW_INT
    • gl.MEDIUM_INT
    • gl.HIGH_INT
  • 返回值：如果成功，返回WebGLShaderPrecisionFormat对象的实例，如果失败，返回null，下面是一个具体的例子：
// 返回对象有三个值，表示精度和取值范围，一看就能明白
// 精度precision: 23
// rangeMax: 127
// rangeMin: 127
var precisionFormat = gl.getShaderPrecisionFormat(gl.VERTEX_SHADER,gl.MEDIUM_FLOAT);

对变量使用精度限定符有两种方式：

  • 直接在变量定义的前面添加精服务器托管网度限定符highp、mediump或者lowp
  • 给指定类型统一设置精度限定符
// 给float类型统一设置mediump
precision mediump float;

// 给变量单独设置精度限定
mediump float a;
highp vec4 position;
lowp vec3 color;

默认值

  • 对于采样器，默认精度值都是lowp
  • 对于顶点着色器，int和float默认精度值都是highp
  • 对于片元着色器，int的默认精度值是mediump
  • 对于片元着色器，float没有默认精度值，所以我们需要在片元着色器的最前边设置float的默认精度，不然会导致编译错误。 
    precision mediump float;

预处理

GLSL ES支持预处理，所谓的预处理就是在代码编译之前的处理过程

常用预处理指令

#if 条件表达式
	如果条件表达式为真，执行这里
#endif

#ifdef 某宏
	如果定义了某宏，执行这里
#endif

#ifndef 某宏
	如果没有定义某宏，执行这里
#endif

// 定义宏
#define 宏名 宏内容

// 取消定义宏
#undef 宏名

// 使用#else
#define NUM 100
#if NUM==100
	如果NUM等于100，执行这里
#else
	否则执行这里
#endif

内置宏定义

  • GL_ES：在OpenGL ES 2.0中定义为1
  • GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH：片元着色器是否支持highp

可以使用下面的方式对片元着色器的float进行精度设置

#ifdef GL_ES
#ifdef GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH
precision highp float;
#else
precision mediump float;
#endif
#endif

设置版本

可以在着色器的顶部设置WEBGL的版本号

// 100表示设置WEBGL 1.00
#version 100

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