1 前言

本文將介紹 GLSL 中數據類型、數組、結構體、宏、運算符、向量運算、矩陣運算、函數、流程控制、精度限定符、變量限定符（in、out、inout）、函數參數限定符等內容，另外提供了一個 include 工具，方便多文件管理 glsl 代碼，實現代碼的精簡、復用。

Unity 中 Shader 介紹詳見 → 【Unity3D】Shader常量、變量、結構體、函數，渲染管線介紹詳見 → 【OpenGL ES】渲染管線。

2 數據類型

2.1 基本數據類型

2.1.1 基本數據類型

說明：mat2、mat3、mat4 中的元素都是按照列向量的順序排列的，即 mat2 m = mat2(m11, m21, m12, m22) 對應的公式如下。

2.1.2 向量分量訪問

GLSL 中的向量（vec2、vec3、vec4）可以表示一個空間坐標 (x, y, z, w)，也可以表示一個顏色 (r, g, b, a)，還可以表示一個紋理坐標 (s, t ,p, q)，所以 GLSL 提供了多樣的分量訪問方式。

vec4 v = vec4(1.0, 2.0, 3.0, 4.0);
float x1 = v.x; // 1.0
float x2 = v.r; // 1.0
float x3 = v.s; // 1.0
float x4 = v[0]; // 1.0

vec3 xyz = v.xyz; // vec3(1.0, 2.0, 3.0)
vec3 stq = v.stq; // vec3(1.0, 2.0, 3.0)
vec3 rgb = v.rgb; // vec3(1.0, 2.0, 3.0)
vec3 abc = vec3(v[0], v[1], v[2]); // vec3(1.0, 2.0, 3.0)

2.1.3 數據類型轉換

GLSL 可以使用構造函數進行顯式類型轉換。

// 0或0.0轉換為false, 非0轉換為true
bool a1 = bool(1.0); // true
bool a2 = bool(0); // false

// true轉換為1或1.0, false轉換為0或0.0
int a3 = int(true); // 1
float a4 = float(false); // 0.0

int a5 = int(2.0); // 2
float a6 = float(1); // 1.0

2.2 數組

GLSL 只支持一維數組。

// float 數組
float[3] a = float[] (1.0, 2.0, 3.0);
float b[3] = float[] (1.0, 2.0, 3.0);
float c[3] = float[3] (1.0, 2.0, 3.0);

// vec 數組
vec2[2] d = vec2[] (vec2(0.0), vec2(1.0));

2.3 結構體

struct light {
    vec4 color;
    vec3 pos;
};
const light lgt = light(vec4(1.0), vec3(0.0));

說明：結構體中的字段不可用 const 修飾。

2.4 內置變量

2.5 宏

與 C 語言一樣，GLSL 中也可以通過 #define 定義宏，如下。

#define PI 3.14159265359

另外，GLSL 也提供了一些內置宏。

__LINE__ // 當前源碼中的行號
__VERSION__ // 當前glsl版本號, 如: 300
GL_ES // 當前運行環境是否是 OPGL ES, 1 表示是
GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH // 當前系統的片元著色器是否支持高浮點精度, 1表示支持

3 運算符

3.1 基礎運算符

說明：GLSL 中沒有隱式類型轉換，因此任何表達式左右兩側的類型必須一致，以下表達式都是錯誤的。

// 以下代碼運行時會報錯
int a = 2.;
int b = 1. + 2;
float c = 2;
float d = 2. + 1;
bool e = 0;
vec2 f = vec2(1., 2.) * 2;

3.2 向量運算符

// 標量與向量運算
vec2 a = vec2(1., 2.) + 3.; // vec2(4., 5.)
vec2 b = 3. + vec2(1., 2.); // vec2(4., 5.)
vec2 c = vec2(1., 2.) * 3.; // vec2(3., 6.)
vec2 d = 3. * vec2(1., 2.); // vec2(3., 6.)

// 向量與向量運算
vec2 e = vec2(1., 2.) + vec2(3., 4.); // vec2(4., 6.)
vec2 f = vec2(1., 2.) * vec2(3., 4.); // vec2(3., 8.)

3.3 矩陣運算符

// 標量與矩陣運算
mat2 a = mat2(1.) + 2.; // mat2(3.)
mat2 b = 2. + mat2(1.); // mat2(3.)
mat2 c = mat2(1.) * 2.; // mat2(2.)
mat2 d = 2. * mat2(1.); // mat2(2.)

// 向量與矩陣運算
vec2 e = vec2(1., 2.) * mat2(1., 2., 3., 4.); // vec2(5., 11.)
vec2 f = mat2(1., 2., 3., 4.) * vec2(1., 2.); // vec2(7., 10.)

// 矩陣與矩陣運算(矩陣對應元素運算)
mat2 g = mat2(1.) + mat2(2.); // mat2(3.)
mat2 h = matrixCompMult(mat2(1.), mat2(2.)); // mat2(2.)

// 矩陣與矩陣運算(矩陣乘法)
mat2 i = mat2(1., 2., 3., 4.) * mat2(5., 6., 7., 8.); // mat2(23., 34., 31., 46.)
mat2 j = mat2(5., 6., 7., 8.) * mat2(1., 2., 3., 4.); // mat2(19., 22., 43., 50.)

4 函數

4.1 自定義函數

GLSL 允許在程序的最外部聲明函數，函數不能嵌套、不能遞歸調用，且必須聲明返回值類型（無返回值時聲明為 void）在其他方面 GLSL 函數與 C 語言函數非常類似。

vec4 getPosition() { 
    vec4 pos = vec4(0.,0.,0.,1.);
    return pos;
}

void doubleSize(inout float size) {
    size = size * 2.0;
}

4.2 內置函數

1）數值運算

sign(x)、abs(x) // 符號、絕對值
min(a, b)、max(a, b) // 最值函數
ceil(x)、floor(x)、round(x) // 取整函數
fract(x) // 取小數部分
mod(x, y) // 取余數
sqrt(x)、pow(x)、inversesqrt(x) // 冪函數, inversesqrt(x)=1/sqrt(x)
exp(x)、exp2(x) // 指數函數(e^x、2^x)
log(x)、log2(x) // 對數函數
degrees(x)、radians(x) // 角度轉換函數
sin(x)、cos(x)、tan(x)、asin(x)、acos(x)、atan(x) // 三角函數
sinh(x)、cosh(x)、tanh(x) // 雙曲線函數
clamp(x, min, max) // 將x約束在min和max之間, 超過邊界就取邊界值
smoothstep(min, max, x) // 平滑比例, 公式: k=saturate((x-min)/(max-min)), y=k*k*(3-2*k)
mix(a, b, f) // 混合, 公式: y=(1-f)*a+f*b
step(a, b) // 如果a>b, 返回0; 如果a<=b, 返回1; 當a、b是向量時, 每個分量獨立判斷, 如: step(fixed2(1,1),fixed(0,2))=(0,1)

說明：以上函數輸入的可以是：float、vec2、vec3、vec4，且可以逐分量操作；對于整數求余運算，只能用 %；對于浮點數求余運算，只能用 mod。

2）邏輯運算

bvec z = lessThan(x, y) // 逐分量比較x < y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = lessThanEqual(x, y) // 逐分量比較x <= y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = greaterThan(x, y) // 逐分量比較x > y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = greaterThanEqual(x, y) // 逐分量比較x >= y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = equal(x, y) // 逐分量比較x == y, 將結果寫入z的對應位置
bvec z = notEqual(x, y) // 逐分量比較x != y, 將結果寫入z的對應位置
bvec y = not(x) // bool矢量的逐分量取反
bool y = any(x) // 如果x的任意一個分量是true, 則結果為true
bool y = all(x) // 如果x的所有分量是true, 則結果為true

3）向量運算

distance(pos1, pos2) // 計算pos1與pos2之間的距離
length(vec) // 計算向量的模長
normalize(vec) // 計算向量的單位向量
dot(v1, v2) // 向量點乘
cross(v1, v2) // 向量叉乘
reflect(i, n) // 根據入射向量和法線向量, 計算反射向量(i和n不需要歸一化)
refract(i, n, ratio); // 根據入射向量、法線向量、折射率比值, 計算折射向量(i和n需要歸一化, ratio為入射介質折射率/折射介質折射率, 或sin(折射角)/sin(入射角))

4）矩陣運算

// 矩陣與矩陣運算(矩陣對應元素運算)
mat2 a = mat2(1.) + mat2(2.); // mat2(3.)
mat2 b = matrixCompMult(mat2(1.), mat2(2.)); // mat2(2.)

// 矩陣與矩陣運算(矩陣乘法)
mat2 c = mat2(1., 2., 3., 4.) * mat2(5., 6., 7., 8.); // mat2(23., 34., 31., 46.)
mat2 d = mat2(5., 6., 7., 8.) * mat2(1., 2., 3., 4.); // mat2(19., 22., 43., 50.)

5）紋理查詢函數

vec4 texture(sampler2D sampler, vec2 coord);
vec4 texture2D(sampler2D sampler, vec2 coord);
vec4 texture2DProj(sampler2D sampler, vec3 coord);
vec4 texture2DProj(sampler2D sampler, vec4 coord);
vec4 textureCube(samplerCube sampler, vec3 coord);

5 流程控制

GLSL 的流控制與 C 語言非常相似，主要有 if、for、while、continue、break，不同的是 GLSL 中多了 discard。使用 discard 會退出片元著色器，不會執行后面的操作，片元也不會寫入幀緩沖區。

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    sum += a[i];
    if (sum > 5.0)
        break;
}

while (i < 10) {
    sum += a[i];
    if (i % 3 == 1)
        continue;
    i++;
}

do {
    sum += a[i];
    if (sum > 5.0)
        discard;
    i++;
} while (i < 10)

6 限定符

6.1 精度限定符

片元著色器中，對于浮點數 GLSL 有 highp（高）、mediump（中）、lowp（低） 三種精度。

lowp float color;
varying mediump vec2 Coord;
lowp ivec2 foo(lowp mat3);
highp mat4 m;

在片元著色器的第一行加上 precision highp float，表示設定了默認的精度，所有沒有顯式表明精度的變量都會按照默認精度處理。

precision highp float;

通過判斷系統環境，來選擇合適的精度。

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

6.2 變量限定符

// 頂點著色器
attribute vec4 a_position;
attribute vec2 a_texCoord0;
varying vec2 v_texCoord0;

void main() {
    gl_Position = vec4(a_position, 1.0);
    v_texCoord0 = a_texCoord0;
}

// 片元著色器
precision highp float;
uniform sampler2D u_texture;
varying vec2 v_texCoord0;

void main() {
  gl_FragColor = texture(u_texture, v_texCoord0);
}

6.3 函數參數限定符

函數的參數默認以拷貝的形式傳遞，即值傳遞，我們可以為參數添加限定符實現引用傳遞，GLSL 中提供的參數限定符如下。

除了函數的參數可以用 in、out、inout 修飾，全局變量也可以用這些限定符修飾，如下。

// 頂點著色器
in vec3 a_position;
in vec2 a_texCoord0;
out vec2 v_texCoord0;

void main() {
    gl_Position = vec4(a_position, 1.0);
    v_texCoord0 = a_texCoord0;
}

// 片元著色器
precision highp float;
uniform sampler2D u_texture;
in vec2 v_texCoord0;
out vec4 o_fragColor;

void main() {
    o_fragColor = texture(u_texture, v_texCoord0);
}

7 include

GLSL 中沒有提供 #include 功能，如以下代碼會運行報錯。

#include <shaders/utils/constant.glsl>

要想實現一個 glsl 文件依賴另一個 glsl 文件，可以使用以下工具加載 glsl 字符串。

ShaderUtils.java

import android.content.Context;

import java.util.HashSet;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;

/**
 * Shader工具類
 * @author little fat sheep
 */
public class ShaderUtils {
    // 匹配: #include <xxx> 或 #include “xxx”, 并且不以"http://"開頭
    private static final String INCLUDE_REGEX = "(?m)^(?!//\\s*)#include\\s+(<([^>]+)>|\"([^\"]+)\")";

    /**
     * 通過asset加載shader
     * @param vertexShader 頂點著色器路徑, 如: "shaders/origin_vert.glsl"
     * @param fragmentShader 片元著色器路徑, 如: "shaders/origin_frag.glsl"
     */
    public static String[] loadShader(Context context, String vertexShader, String fragmentShader) {
        String vertex = StringUtils.loadString(context, vertexShader);
        String fragment = StringUtils.loadString(context, fragmentShader);
        String vertex1 = replaceIncludeFiles(context, vertex);
        String fragment1 = replaceIncludeFiles(context, fragment);
        return new String[] { vertex1, fragment1 };
    }

    /**
     * 通過資源id加載shader
     * @param vertexShader 頂點著色器資源id, 如: R.raw.origin_vertex
     * @param fragmentShader 片元著色器資源id, 如: R.raw.origin_fragment
     */
    public static String[] loadShader(Context context, int vertexShader, int fragmentShader) {
        String vertex = StringUtils.loadString(context, vertexShader);
        String fragment = StringUtils.loadString(context, fragmentShader);
        String vertex1 = replaceIncludeFiles(context, vertex);
        String fragment1 = replaceIncludeFiles(context, fragment);
        return new String[] { vertex1, fragment1 };
    }

    /**
     * 將shader字符串中#include的文件替換為文件內容
     */
    public static String replaceIncludeFiles(Context context, String shaderContent) {
        Pattern pattern = Pattern.compile(INCLUDE_REGEX);
        HashSet<String> set = new HashSet<>(); // 用于去掉重復的include
        return replaceIncludeFiles(context, shaderContent, pattern, set);
    }

    /**
     * 將shader字符串中#include的文件替換為文件內容(include的文件中可能也有include, 需要遞歸調用)
     */
    private static String replaceIncludeFiles(Context context, String shaderContent, Pattern pattern, HashSet<String> set) {
        Matcher matcher = pattern.matcher(shaderContent);
        StringBuffer sb = new StringBuffer(shaderContent.length());
        while (matcher.find()) {
            String angleBrackets = matcher.group(2); // 尖括號內的路徑
            String quotationMarks = matcher.group(3); // 引號內的路徑
            String file = angleBrackets != null ? angleBrackets : quotationMarks;
            if (set.contains(file)) {
                matcher.appendReplacement(sb, ""); // 刪除重復的include
            } else {
                set.add(file);
                String includeShader = StringUtils.loadString(context, file); // 加載include文件中的字符串
                String quoteShader = Matcher.quoteReplacement(includeShader); // 替換字符串中的轉義字符
                String wholeShader = replaceIncludeFiles(context, quoteShader, pattern, set); // 遞歸替換字串中的include
                matcher.appendReplacement(sb, wholeShader); // 將字符串添加到sb中
            }
        }
        matcher.appendTail(sb);
        return sb.toString();
    }
}

StringUtils.java

import android.content.Context;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;

/**
 * 字符串工具類
 * @author little fat sheep
 */
public class StringUtils {
    /**
     * 根據資源路徑讀取字符串
     * @param assetPath 資源路徑, 如: "shaders/origin_vert.glsl"
     */
    public static String loadString(Context context, String assetPath) {
        String str = "";
        try (InputStream inputStream = context.getAssets().open(assetPath)) {
            str = loadString(inputStream);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return str;
    }

    /**
     * 根據資源id讀取字符串
     * @param rawId 資源id, 如: R.raw.origin_vertex
     */
    public static String loadString(Context context, int rawId) {
        String str = "";
        try (InputStream inputStream = context.getResources().openRawResource(rawId)) {
            str = loadString(inputStream);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return str;
    }

    private static String loadString(InputStream inputStream) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        try (BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream))) {
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                sb.append(line).append("\n");
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return sb.toString();
    }
}

聲明：本文轉自【OpenGL ES】GLSL基礎語法。