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着色器语言
本篇开始学习着色器语言 —— GLSL全称是 Graphics Library Shader Language （图形库着色器语言）
GLSL 是一门独立的语言，和其他语言一样有自己的变量、运算符、函数、循环(for)、控制语句（if）、函数、数组等等。
GLSL 比较简单。其专门用于编写着色器，舍弃了许多编程语言中复杂的东西，比如没有字符串，只有数字。
Tip: webgl 1.0 绝大多数浏览器都支持，webgl 2.0 支持度差些。webgpu 旨在取代WebGL，浏览器兼容惨不忍睹。
准备
开始前稍微准备一下环境，根据前面三角形的学习，我们很容易绘制如下矩形：
// 顶点着色器 const VSHADER_SOURCE = ` attribute vec4 a_Position; void main() { gl_Position = a_Position; gl_PointSize = 10.0; } ` // 片元着色器 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('创建缓冲区对象失败'); 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); } 将顶点着色器和片元着色器提取出单独的 js 文件。就像这样:
// demoshaderfShader.js const FSHADER_SOURCE = /* glsl */ ` void main() { gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); }` // demoshadervShader.js const VSHADER_SOURCE = /* glsl */ ` attribute vec4 a_Position; void main() { gl_Position = a_Position; gl_PointSize = 10.0; } `; 这里的 /* glsl */ 用于 vscode 高亮 glsl。就像这样（左侧高亮）：
高亮 glsl
笔者选择 vscode 安装 Comment tagged templates（重启后仍未生效，后切换安装的版本，再次重启即可）:
如果你是基于 webpack 这种模块化的开发，可以安装 WebGL GLSL Editor，直接编写 .glsl 就能高亮:
基础
- 区分大小写
- 每个语句以一个分号结束
- 单行注释
//、多行注释/* */
// 单行注释 /* 多行注释 */ 变量名
变量命名规则如下：
- 只能包含字母、数字、下划线
- 首字母不能是数字
- 不能是关键字和保留字
- 不能以
gl_、webgl_或_webgl_开头，这部分已经被 OpengGL ES 保留了
Tip: 变量的命名就按照js的习惯来就好，如果有问题，浏览器会给出较好的错误提示。就像这样：
// 只能包含字母、数字、下划线 - ERROR: 0:15: '$' : invalid character int a$ = 1; // 首字母不能是数字 - ERROR: 0:11: '0aA0_' : invalid number int 0aA0_ = 1; // 不能是关键字 - 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_ 开头 - ERROR: 0:24: 'gl_' : reserved built-in name 保留的内置名称 int gl_a = 1; 基本类型
不像 js 有 number、string、boolean、null、undefined、bigint、symbol 等 7 种基本类型，这里只有数字(int、float)和布尔(bool)。
// 精度限定字。否则浏览器控制台报错：No precision specified for (float) precision mediump float; int a = 1; // 整型 float b = 1.0; // 浮点 bool c = true; // 布尔类型 Tip: js 不区分整数和浮点数，其数字都是64位的双精度，类似 java 中的 double。而如果把整数赋值给 flat(float b = 1;) 就会报错。
类型转换
由于基本类型就三种（int、float、bool），所以类型转化也较js简单多了，共 6 种。
int(float)- 转整型。删除浮点小数部分，转为整数（比如 3.14 转为 3）int(bool)- 转整型。true 转 1，false 转 0float(int)- 转浮点。（比如 1 转 1.0）float(bool)- 转浮点。true 转 1.0，false 转 0.0bool(int)- 0 转 false，非 0 转 truebool(float)- 0 转 false，非 0 转 true
例如将浮点转为整型：int d = int(1.0);
运算符
glsl 支持的运算符和 js 中类似。比如都有：
- 加减乘除（+、-、、/、+=、-=、=、/=）
- 自增、自减（++、--）
- 比较（>、<、>=、<=、==、!=）
- 取反（!）
- 与或（&&、||）
- 三元运算符
更详细的请看下表：
Tip：[1] 与运算，第一个表达式为 true 才进行第二个表达式计算；或运算，第一个表达式为 false 才进行第二个表达式计算。[2] 逻辑异或，只有左右两个表达式有且只有一个为 true 时，运算结果才为 true，否则是 false。
虽然glsl运算符与 js 中类似，但有些运算符在用法上和js还是有些许差异。比如：
- 参与运算的类型必须都是整数
// 参与运算的类型必须都是整数 int e = 1 + 1.0; // 错 int e = 1 + 1; // 对 - ! 只能操作布尔类型
// ! 只能操作布尔类型 bool e = !1; // 错 bool e = !true; // 对 - 三元运算符的 condition 类型得是 bool
// condition 类型得是 bool int e = 1 ? 1 : 2; // 错 int e = true ? 1 : 2; // 对 复杂类型
矢量和矩阵类型
矢量（或向量）和矩阵类型非常适合处理计算机图形。
矢量和矩阵类型的变量包含多个元素，每个元素是一个数值（整型、浮点、布尔）。
Tip：可以将矢量和矩阵理解成基本类型的集合。矢量将多个元素排成一行，矩阵则将这些元素划分成行和列。
glsl 支持的矢量（vector）和矩阵（matrix）类型如下：
Tip: vec 是浮点矢量、ivec 是整型矢量、bvec 是布尔矢量。
矢量
几维向量就得传几个分量，否则报错。例如：
// vec4 变量需要4个浮点数分量 vec4 e = 1.0; // 错 vec4 e = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 4.0); // 对 由于向量很重要，所以glsl提供了灵活的创建方式。例如：
vec3 v3 = vec3(1.0, 2.0, 3.0); // 使用 v3 的前两个元素 vec2 v2 = vec2(v3); // 将 v4 设置为 (1, 1, 1, 1) vec4 v4 = vec4(1); // 取v2两个元素，v4也取前两个 vec4 v4b = vec4(v2, v4); 如果向量接收不止一个参数，但参数个数又比矢量元素少，就会报错。例如：
// 错。接收不止一个参数，但参数个数又比矢量元素少 vec4 v4_2 = vec4(1, 1); 通过分量名可以取得向量相应的元素。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 第一个分量除了可以通过 x 取得，还可以是 r 或 s。请看下表：
Tip：即使你声明一个颜色向量，依然可以用 x 来取得向量中第一个分量值。就像这样：
vec3 color = vec3(1.0, 0.0, 0.0); float x = v3.x; // 1.0 可以从矢量中同时抽取多个分量，这个叫混合。例如：
vec3 v3 = vec3(1.0, 2.0, 3.0); vec2 v2 = v3.xz; // v2 设为 (1.0, 3.0) vec2 v2 = v3.zz; // v2 设为 (3.0, 3.0) 疑惑：还可以用来赋值（测试失败）：
// ERROR: 0:31: 'v3' : syntax error vec3 v3 = vec3(1.0, 2.0, 3.0); v3.xz = vec2(5.0, 6.0); // 预期：v3 设为 (5.0, 2.0, 6.0) 向量直接可以进行运算。下面显示一个白色图形：
vec3 color1 = vec3(1.0, 1.0, 1.0); vec3 color2 = vec3(0.0, 0.0, 1.0); void main() { // color1 + color2 等于 (1.0 + 0.0, 1.0 + 0.0, 1.0 + 1.0)，由于 大于1也是等于1，所以最后是 (1.0, 1.0, 1.0) gl_FragColor = vec4(color1 + color2, 1.0); } Tip: 对于颜色，小于0则是0，大于1则是1。
矩阵
通过 mat[1234]() 构造矩阵，例如创建一个平移矩阵，让图形向左平移 0.5。就像这样：
const VSHADER_SOURCE = ` attribute vec4 a_Position; // 向左平移 0.5 float tX = -0.5; // 行列得颠倒 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; } `; 类似 js 操作数组的方式可以取得矩阵对应元素。就像这样：
matrix[0] => [1, 0, 0, 0] matrix[1][1] => 1 数组
glsl 只支持一维数组，没有 pop()、push() 等操作。声明数组无需使用 new ，只需要在变量名后添加[]和数组长度。就像这样：
float floatArray[4]; // 含4个浮点数的数组 vec4 vec4Array[2]; // 含2个4维向量的数组 数组不能在声明时初始化，必须显示的对每个元素进行初始化。就像这样：
// '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：报错'vec4Array' : syntax error
注：下面这段代码会报错，需要增加 const：
// 错误。constant expression required int size = 4; vec4 vec4Array[size]; // 正确。 const int size = 4; vec4 vec4Array[size]; 取样器
glsl 提供一种内置类型：取样器（sample），必须通过该类型变量访问纹理。有两种基本取样器：sampler2D、samplerCube。
例如在绘制猫时，我们用到 sampler2D：uniform sampler2D u_Sampler;
结构体
glsl 通过 struct 可以自定义类型。类似 js 中的对象，访问也是通过 .。就像这样：
// 定义一个结构体。类似 js 的对象。 struct light { vec4 color; vec3 position; } // 申明一个 light 类型的变量 l1 light l1; // 赋值和构造 l1 = light(vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0), vec3(1.0, 2.0, 3.0)); // 通过.访问成员 vec4 color = l1.color; vec3 postion = l1.position; 精度限定字
glsl 引入精度限定字，用于帮助着色器程序提高运行效率，减小开销。
精度限定字用于表示每种数据具有的精度（比特数）。高精度的需要更大的开销（内存、计算时间），低精度开销则小。
在低精度下，webgl 程序运行结果比较粗糙，甚至不准确，这个需要考虑程序效能和性能的平衡。
webgl 支持高中低三种精度：
如果不确定，可以选择中精度。例如为所有浮点都选择中精度：precision mediump float;
也可以为每个变量设置精度。就像这样：mediump float size;
数据类型的默认精度请看下表：
由于片元着色器中的 float 没有精度，所以需要手动指定，否则会报错：No precision specified for (float)
循环和分支
for
语法：
for(初始化表达式; 条件表达式; 循环步进表达式){ } 例如：
for(int i = 0; i < 10; i++){ // 循环体 } 以下几点需要注意：
- 循环变量(例如 i)只能在初始化表达式中定义
- 条件表达式如果为空，则返回 true
- 只允许一个循环变量，循环变量只能是 int 或 float
- 循环表达式必须是（假如是 i）: i++、i--、i+=、i-=
- 条件表达式必须是循环变量和整型常量的比较（
i < 10.0错误）
疑惑：如下for语句导致浏览器报错
// Failed to compile shader: ERROR: 0:29: 'for' : syntax error int sum = 0; for (int i = 0; i < 10; i++){ sum += i; } if...else
语法：
if(条件表达式){ }else if(条件表达式){ }else{ } 条件表达式：布尔或产生布尔的表达式。请看：
// if(1) - 报错 if(bool(1)){ gl_FragColor = vec4(color1, 1.0); }else{ gl_FragColor = vec4(color2, 1.0); } 函数
在 js 中定义一个函数：
function sum(a, b){ return a + b; } 如果不 return，js 默认返回 undefined。
glsl 中如果没有返回值则需要用到 void，否则得申明具体返回类型。就像这样：
// 不返回 void sum(int a, int b){ } // 返回 int int sum(int a, int b){ return a + b; } glsl 也提供了一些内置函数，例如角度转弧度的 radians()，可直接使用。请看下表：
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