GLSL 快速入门

官方文档：https://registry.khronos.org/OpenGL-Refpages/gl4/open in new window

Hello World

#version 450

void myFunction(in float inputValue, out int outputValue, inout float inAndOutValue) {
  inputValue = 0.0;
  outputValue = int(inAndOutValue + inputValue);
  inAndOutValue = 3.0;
}

void main() {
  float in1 = 10.5;
  int out1 = 5;
  float out2 = 10.0;
  myFunction(in1, out1, out2);
}

语言特征

类 C 语言，语法类似 C++
- 末尾有分号 ;
- 以 main() 函数为主函数
- 注释 // ... 和 /* ... */
基本数据类型
- 浮点型 float
- 整型 int
- 布尔型 true / false
- 没有自动类型转换，类型必须匹配

变量不能是关键字和保留字，不能以 gl_ 等开头。

GLSL 是强类型的语言，且赋值时变量的数据类型也要一致。

向量

GLSL 支持 2、3、4 维向量，根据分量的数据类型，我们还可以将多个向量合在一起：

vec3 v1 = vec3(1.0, 0.0, 0.5);
vec2 v2 = vec2(v1);
vec4 v3 = vec4(1.0);

vec4 v4b = vec4(v2, v3);
// (1.0, 0.0, 1.0, 1.0)

向量默认都是 float 类型的。

向量分量的访问方式

通过分量属性访问：

v4.x, v4.y, v4.z, v4.w  // 齐次坐标
v4.r, v4.g, v4.b, v4.a  // 色值
v4.s, v4.t, v4.p, v4.q  // 纹理坐标

将分量的多个属性连在一起，可以获取多个向量：

vec4 v4 = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);
v4.xy   // (1.0, 2.0)
v4.yx   // (2.0, 1.0)
v4.xw   // (1.0, 4.0)

通过分量索引访问：

v4[0], v4[1], v4[2], v4[3]

用上面的方法访问到向量后，也可以用 = 号为向量赋值。

向量初始化时可以使用整数，但运算时一定要使用浮点数，否则会报错。

矩阵

GLSL 支持 2、3、4 维矩阵 mat2、mat3、mat4，矩阵中的元素都是浮点型。

GLSL 中的矩阵是列主序的，在建立矩阵的时候，其参数结构有很多种。

vec4 v4_1 = vec4(1, 2, 3, 4);
vec4 v4_2 = vec4(5, 6, 7, 8);
vec4 v4_3 = vec4(9, 10, 11, 12);
vec4 v4_4 = vec4(13, 14, 15, 16);
mat4 m = mat4(v4_1, v4_2, v4_3, v4_4);

浮点+向量：

vec4 v4_1 = vec4(1, 5, 9, 13);
vec4 v4_2 = vec4(2, 6, 10, 14);
mat4 m = mat4(v4_1, v4_2, 3, 7, 11, 15, 4, 8, 12, 16);
/*
    1, 5, 9, 13,
    2, 6, 10, 14,
    3, 7, 11, 15,
    4, 8, 12, 16
*/

单个浮点数

mat4 m = mat4(1);
/*
    1, 0, 0, 0,
    0, 1, 0, 0,
    0, 0, 1, 0,
    0, 0, 0, 1,
*/

注：如矩阵中的参数数量大于 1，小于矩阵元素数量，会报错：

// 错误
mat4 m4 = mat4(1.0, 2.0);

注意：矩阵和向量的索引下标只能是常数或者字面值，不能是其他变量。

部分 GLSL 支持逻辑异或 ^^ 。

向量与矩阵的运算

向量与向量的运算

distance(p0, p1);   // 向量距离
dot(p0, p1);        // 点积
cross(p0, p1);      // 叉乘

向量与矩阵的运算

mat4 m = mat4(
    1, 5, 9, 13,
    2, 6, 10, 14,
    3, 7, 11, 15,
    4, 8, 12, 16
);
vec4 v = vec4(1, 2, 3, 4);

由于 GLSL 是列主序的，故计算时相当于线性代数中的每个向量（或矩阵）的转置。

M = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ 9 & 10 & 11 & 12 \\ 13 & 14 & 15 & 16 \end{bmatrix},\, v = \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end{bmatrix}

那么 m * v 的值为：

Mv = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ 9 & 10 & 11 & 12 \\ 13 & 14 & 15 & 16 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 30 \\ 70 \\ 110 \\ 150 \end{bmatrix}

那么 v * m 的值为：

M^{ \mathsf{T} }v = \begin{bmatrix} 1 & 5 & 9 & 13 \\ 2 & 6 & 10 & 14 \\ 3 & 7 & 11 & 15 \\ 4 & 8 & 12 & 16 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 90 \\ 100 \\ 110 \\ 120 \end{bmatrix}

矩阵与矩阵的运算

加、减、除都是相同位置的元素进行运算，矩阵乘法满足乘法规则：

mat4 m = mat4(
    2, 16, 8, 8,
    4, 8, 8, 8,
    8, 4, 8, 8,
    16, 8, 8, 8
);
mat4 n = mat4(
    1, 4, 1, 2,
    2, 4, 2, 1,
    4, 4, 1, 2,
    8, 4, 2, 1
);

m * n 的结果为：

\begin{bmatrix} 2 & 4 & 8 & 16 \\ 16 & 8 & 4 & 8 \\ 8 & 8 & 8 & 8 \\ 8 & 8 & 8 & 8 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 2 & 4 & 8 \\ 4 & 4 & 4 & 4 \\ 1 & 2 & 1 & 2 \\ 2 & 1 & 2 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 58 & 52 & 64 & 64 \\ 68 & 80 & 116 & 176 \\ 64 & 72 & 88 & 120 \\ 64 & 72 & 88 & 120 \end{bmatrix}

计算结果即为：

mat4(
    58, 68, 64, 64,
    52, 80, 72, 72,
    64, 116, 88, 88,
    64, 176, 120, 120
)

其他语法

结构体

struct Light {
    vec4 color;
    vec3 pos;
};

GLSL 中的构造函数和 C++ 没有什么不同，唯一的区别就是构造函数传递的参数必须要全部使用，未用到的参数不要写到构造函数的参数列表中。

结构体默认有构造函数，其参数顺序和结构体中变量声明的顺序完全一致。

数组

GLSL 只支持一维数组，且长度只能是定值。

vec4 vs[2];
vs[0] = vec4(1, 2, 3, 4);
vs[1] = vec4(5, 6, 7, 8);

控制流

支持 C/C++ 的 if / for / break / continue，此外还支持 discard 关键字，discard 直接终止这个着色器执行。

内置变量和函数

可参考官方文档。

abs()
sin()
cos()
tan()
atan()
...

精度限定

mediump float size;
highp vec4 position;
lowp vec4 color;

precision mediump float;
precision highp int;

基础类型

类型	说明
`void`	空类型值
`bool`	布尔类型 `true` 或 `false`
`int`	带符号的整数
`float`	带符号的浮点数，标量
`vec2`, `vec3`, `vec4`	2、3、4 维浮点数向量
`bvec2`, `bvec3`, `bvec4`	2、3、4 维布尔向量
`ivec2`, `ivec3`, `ivec4`	2、3、4 维整数向量
`mat2`, `mat3`, `mat4`	2x2、3x3、4x4 浮点数矩阵
`sampler2D`	2D 纹理（2D Texture）
`samplerCube`	盒纹理（Cube Mapped Texture）

变量修饰符

修饰符	说明
`<default>`	（默认的）本地变量，可读可写
`const`	声明变量或函数的参数为只读类型
`attribute`	只能存在于 Vertex Shader 中，一般用于保存顶点或法线数据，它可以在数据缓冲区中读取数据
`uniform`	在运行时 Shader 无法改变 `uniform` 变量，一般用来放置程序传递给 Shader 的变换矩阵、材质、光照参数等
`varying`	主要负责在 Vertex 和 Fragment 之间传递变量

函数参数修饰符

修饰符	说明
`in`	（默认的）复制到函数中在函数中可读写
`out`	返回时从函数中复制出来
`inout`	复制到函数中并在返回时复制出来

宏指令

支持 C/C++ 预编译指令：

// 定义
#define
#undef
#ifdef
#ifndef

// 条件指令
#if
#elif
#else
#endif

// 其他常见指令
#error
#pragma
#extension
#version
#line

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