webgl 系列 —— 著色器語言

彭加李發表於2023-03-28
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webgl 系列

著色器語言

本篇開始學習著色器語言 —— GLSL全稱是 Graphics Library Shader Language （圖形庫著色器語言）

GLSL 是一門獨立的語言，和其他語言一樣有自己的變數、運算子、函式、迴圈(for)、控制語句（if）、函式、陣列等等。

GLSL 比較簡單。其專門用於編寫著色器，捨棄了許多程式語言中複雜的東西，比如沒有字串，只有數字。

Tip: webgl 1.0 絕大多數瀏覽器都支援，webgl 2.0 支援度差些。webgpu 旨在取代WebGL，瀏覽器相容慘不忍睹。

準備

開始前稍微準備一下環境，根據前面三角形的學習，我們很容易繪製如下矩形：

// 頂點著色器
const VSHADER_SOURCE = `
attribute vec4 a_Position;
void main() {
  gl_Position = a_Position;
  gl_PointSize = 10.0;               
}
`

// 片元著色器
const FSHADER_SOURCE = `
void main() {
  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
`

function main() {
    const canvas = document.getElementById('webgl');
    const gl = canvas.getContext("webgl");
    if (!gl) {
        console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
        return;
    }

    if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
        console.log('Failed to intialize shaders.');
        return;
    }

    gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    const vertices = {
        data: new Float32Array([
            -0.5, 0.5,
            -0.5, -0.5,
            0.5, -0.5,
            0.5, 0.5
        ]),
        vertexNumber: 4,
        count: 2,
    }

    initVertexBuffers(gl, vertices)

    gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_FAN, 0, vertices.vertexNumber);
}

function initVertexBuffers(gl, {data, count}) {
    const vertexBuffer = gl.createBuffer();
    if (!vertexBuffer) {
        console.log('建立緩衝區物件失敗');
        return -1;
    }

    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);

    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

    const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
    if (a_Position < 0) {
        console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
        return -1;
    }

    gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, 0, 0);

    gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
}

將頂點著色器和片元著色器提取出單獨的 js 檔案。就像這樣:

// demo\shader\fShader.js

const FSHADER_SOURCE = /* glsl */ `
void main() {
  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}`


// demo\shader\vShader.js

const VSHADER_SOURCE = /* glsl */ `
attribute vec4 a_Position;
void main() {
  gl_Position = a_Position;
  gl_PointSize = 10.0;               
}
`;

這裡的 /* glsl */ 用於 vscode 高亮 glsl。就像這樣（左側高亮）：

高亮 glsl

筆者選擇 vscode 安裝 Comment tagged templates（重啟後仍未生效，後切換安裝的版本，再次重啟即可）:

如果你是基於 webpack 這種模組化的開發，可以安裝 WebGL GLSL Editor，直接編寫 .glsl 就能高亮:

基礎

  • 區分大小寫
  • 每個語句以一個分號結束
  • 單行註釋 //、多行註釋 /* */
// 單行註釋
/*
多行註釋
*/

變數名

變數命名規則如下：

  • 只能包含字母、數字、下劃線
  • 首字母不能是數字
  • 不能是關鍵字和保留字
  • 不能以gl_、webgl_ 或 _webgl_ 開頭，這部分已經被 OpengGL ES 保留了

Tip: 變數的命名就按照js的習慣來就好，如果有問題，瀏覽器會給出較好的錯誤提示。就像這樣：

// 只能包含字母、數字、下劃線 - ERROR: 0:15: '$' : invalid character
int a$ = 1;

// 首字母不能是數字 - ERROR: 0:11: '0aA0_' : invalid number
int 0aA0_ = 1;

// 不能是關鍵字 - ERROR: 0:19: 'for' : syntax error
int for = 1;

// 不能是保留字 - Illegal use of reserved word 非法使用保留字
int class = 1;

// 不能以 gl_、webgl_ 或 _webgl_ 開頭 - ERROR: 0:24: 'gl_' : reserved built-in name 保留的內建名稱
int gl_a = 1;

基本型別

不像 js 有 number、string、boolean、null、undefined、bigint、symbol 等 7 種基本型別，這裡只有數字(int、float)和布林(bool)。

// 精度限定字。否則瀏覽器控制檯報錯：No precision specified for (float)
precision mediump float;
int a = 1;     // 整型
float b = 1.0; // 浮點
bool c = true; // 布林型別

Tip: js 不區分整數和浮點數，其數字都是64位的雙精度，類似 java 中的 double。而如果把整數賦值給 flat(float b = 1;) 就會報錯。

型別轉換

由於基本型別就三種（int、float、bool），所以型別轉化也較js簡單多了，共 6 種。

  • int(float) - 轉整型。刪除浮點小數部分，轉為整數（比如 3.14 轉為 3）
  • int(bool) - 轉整型。true 轉 1，false 轉 0
  • float(int) - 轉浮點。（比如 1 轉 1.0）
  • float(bool) - 轉浮點。true 轉 1.0，false 轉 0.0
  • bool(int) - 0 轉 false，非 0 轉 true
  • bool(float) - 0 轉 false，非 0 轉 true

例如將浮點轉為整型：int d = int(1.0);

運算子

glsl 支援的運算子和 js 中類似。比如都有：

  • 加減乘除（+、-、、/、+=、-=、=、/=）
  • 自增、自減（++、--）
  • 比較（>、<、>=、<=、==、!=）
  • 取反（!）
  • 與或（&&、||）
  • 三元運算子

更詳細的請看下錶：

Tip：[1] 與運算，第一個表示式為 true 才進行第二個表示式計算；或運算，第一個表示式為 false 才進行第二個表示式計算。[2] 邏輯異或，只有左右兩個表示式有且只有一個為 true 時，運算結果才為 true，否則是 false。

雖然glsl運算子與 js 中類似，但有些運算子在用法上和js還是有些許差異。比如：

  • 參與運算的型別必須都是整數
// 參與運算的型別必須都是整數
int e = 1 + 1.0; // 錯
int e = 1 + 1; // 對
  • ! 只能操作布林型別
// ! 只能操作布林型別
bool e = !1; // 錯
bool e = !true; // 對
  • 三元運算子的 condition 型別得是 bool
// condition 型別得是 bool
int e = 1 ? 1 : 2; // 錯
int e = true ? 1 : 2; // 對

複雜型別

向量和矩陣型別

向量（或向量）和矩陣型別非常適合處理計算機圖形。

向量和矩陣型別的變數包含多個元素，每個元素是一個數值（整型、浮點、布林）。

Tip：可以將向量和矩陣理解成基本型別的集合。向量將多個元素排成一行，矩陣則將這些元素劃分成行和列。

glsl 支援的向量（vector）和矩陣（matrix）型別如下：

Tip: vec 是浮點向量、ivec 是整型向量、bvec 是布林向量。

向量

幾維向量就得傳幾個分量，否則報錯。例如：

// vec4 變數需要4個浮點數分量
vec4 e = 1.0;  // 錯
vec4 e = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 4.0); // 對

由於向量很重要，所以glsl提供了靈活的建立方式。例如：

vec3 v3 = vec3(1.0, 2.0, 3.0);

// 使用 v3 的前兩個元素
vec2 v2 = vec2(v3); 

// 將 v4 設定為 (1, 1, 1, 1)
vec4 v4 = vec4(1);

// 取v2兩個元素，v4也取前兩個
vec4 v4b = vec4(v2, v4);

如果向量接收不止一個引數，但引數個數又比向量元素少，就會報錯。例如：

// 錯。接收不止一個引數，但引數個數又比向量元素少
vec4 v4_2 = vec4(1, 1);

透過分量名可以取得向量相應的元素。例如：

vec3 v3 = vec3(1.0, 2.0, 3.0);
float x = v3.x; // 1.0
float y = v3.y; // 2.0
float z = v3.z; // 3.0

第一個分量除了可以透過 x 取得，還可以是 r 或 s。請看下錶：

Tip：即使你宣告一個顏色向量，依然可以用 x 來取得向量中第一個分量值。就像這樣：

vec3 color = vec3(1.0, 0.0, 0.0);
float x = v3.x; // 1.0

可以從向量中同時抽取多個分量，這個叫混合。例如：

vec3 v3 = vec3(1.0, 2.0, 3.0);
vec2 v2 = v3.xz; // v2 設為 (1.0, 3.0)
vec2 v2 = v3.zz; // v2 設為 (3.0, 3.0)

疑惑：還可以用來賦值（測試失敗）：

// ERROR: 0:31: 'v3' : syntax error
vec3 v3 = vec3(1.0, 2.0, 3.0);
v3.xz = vec2(5.0, 6.0); // 預期：v3 設為 (5.0, 2.0, 6.0)

向量直接可以進行運算。下面顯示一個白色圖形：

vec3 color1 = vec3(1.0, 1.0, 1.0);
vec3 color2 = vec3(0.0, 0.0, 1.0);
void main() {
  // color1 + color2 等於 (1.0 + 0.0, 1.0 + 0.0, 1.0 + 1.0)，由於 大於1也是等於1，所以最後是 (1.0, 1.0, 1.0)
  gl_FragColor = vec4(color1 + color2, 1.0);
}

Tip: 對於顏色，小於0則是0，大於1則是1。

矩陣

透過 mat[1234]() 構造矩陣，例如建立一個平移矩陣，讓圖形向左平移 0.5。就像這樣：

const VSHADER_SOURCE = `
attribute vec4 a_Position;
// 向左平移 0.5
float tX = -0.5;
// 行列得顛倒
mat4 matrix = mat4(
  1,  0, 0, 0,
  0,  1, 0, 0,
  0,  0, 1, 0,
  tX, 0, 0, 1
);
void main() {
  gl_Position = matrix * a_Position;
}
`;

類似 js 運算元組的方式可以取得矩陣對應元素。就像這樣：

matrix[0]    => [1, 0, 0, 0]
matrix[1][1] => 1

陣列

glsl 只支援一維陣列，沒有 pop()、push() 等操作。宣告陣列無需使用 new ，只需要在變數名後新增[]和陣列長度。就像這樣：

float floatArray[4]; // 含4個浮點數的陣列
vec4 vec4Array[2]; // 含2個4維向量的陣列

陣列不能在宣告時初始化，必須顯示的對每個元素進行初始化。就像這樣：

// 'vec4Array' : syntax error
vec4 vec4Array[2];
vec4Array[0] = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
vec4Array[1] = vec4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0);

疑惑：報錯'vec4Array' : syntax error

注：下面這段程式碼會報錯，需要增加 const：

// 錯誤。constant expression required
int size = 4;
vec4 vec4Array[size];

// 正確。
const int size = 4;
vec4 vec4Array[size];

取樣器

glsl 提供一種內建型別：取樣器（sample），必須透過該型別變數訪問紋理。有兩種基本取樣器：sampler2D、samplerCube。

例如在繪製貓時，我們用到 sampler2D：uniform sampler2D u_Sampler;

結構體

glsl 透過 struct 可以自定義型別。類似 js 中的物件，訪問也是透過 .。就像這樣：

// 定義一個結構體。類似 js 的物件。
struct light {
  vec4 color;
  vec3 position;
}

// 申明一個 light 型別的變數 l1
light l1;

// 賦值和構造
l1 = light(vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0), vec3(1.0, 2.0, 3.0));
// 透過.訪問成員
vec4 color = l1.color;
vec3 postion = l1.position;

精度限定字

glsl 引入精度限定字，用於幫助著色器程式提高執行效率，減小開銷。

精度限定字用於表示每種資料具有的精度（位元數）。高精度的需要更大的開銷（記憶體、計算時間），低精度開銷則小。

在低精度下，webgl 程式執行結果比較粗糙，甚至不準確，這個需要考慮程式效能和效能的平衡。

webgl 支援高中低三種精度：

如果不確定，可以選擇中精度。例如為所有浮點都選擇中精度：precision mediump float;

也可以為每個變數設定精度。就像這樣：mediump float size;

資料型別的預設精度請看下錶：

由於片元著色器中的 float 沒有精度，所以需要手動指定，否則會報錯：No precision specified for (float)

迴圈和分支

for

語法：

for(初始化表示式; 條件表示式; 迴圈步進表示式){

}

例如：

for(int i = 0; i < 10; i++){
  // 迴圈體
}

以下幾點需要注意：

  • 迴圈變數(例如 i)只能在初始化表示式中定義
  • 條件表示式如果為空，則返回 true
  • 只允許一個迴圈變數，迴圈變數只能是 int 或 float
  • 迴圈表示式必須是（假如是 i）: i++、i--、i+=、i-=
  • 條件表示式必須是迴圈變數和整型常量的比較（i < 10.0 錯誤）

疑惑：如下for語句導致瀏覽器報錯

// Failed to compile shader: ERROR: 0:29: 'for' : syntax error
int sum = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++){
  sum += i;
}

if...else

語法：

if(條件表示式){

}else if(條件表示式){

}else{

}

條件表示式：布林或產生布林的表示式。請看：

// if(1) - 報錯
if(bool(1)){
    gl_FragColor = vec4(color1, 1.0);
}else{
    gl_FragColor = vec4(color2, 1.0);
}

函式

在 js 中定義一個函式：

function sum(a, b){
    return a + b;
}

如果不 return，js 預設返回 undefined。

glsl 中如果沒有返回值則需要用到 void，否則得申明具體返回型別。就像這樣：

// 不返回
void sum(int a, int b){
   
}

// 返回 int
int sum(int a, int b){
    return a + b;
}

glsl 也提供了一些內建函式，例如角度轉弧度的 radians()，可直接使用。請看下錶：

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