Shader 入门：GLSL ES（数据类型）

前言

在上一篇文章中我们初步了解了 GLSL ES 的基本语法，那么本篇文章就和大家一起学习 GLSL ES 的数据类型。

Let’s go!!!

上一篇：《Shader 入门：GLSL ES（简介和基本语法）》

在本系列文章中主要针对 GLSL ES 3.0 进行讲解

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正文

数据类型

标量（Scalar）

标量表示只有大小没有方向的量。

关键字

关键字	含义
int	有符号整型（Signed Integer）
uint	无符号整型（Unsigned Integer）
float	单精度浮点型（Single Floating-Point）
bool	布尔型（Boolean）

声明并赋值：

int age = 18; // 整型
uint hello = 3u; // 无符号整型，在后面数字加 u
float pi = 3.14; // 浮点型
bool isMe = true; // 布尔型

类型转换

标量类型之间可以互相转换。

• 将 float 类型的值转换为 int 和 uint 时小数点后面的值将会被忽略，要注意负的 float 类型的值不能转换为 uint 类型。

• 当 int、uint 或 float 类型的值转换为 bool 类型时，0 或 0.0 将会被转换为 false，所有非零的值都会被转换为 true。

• 当 bool 类型的值转换为 int、uint 或 float 类型时，false 将会被转换为 0 或 0.0，true 会被转换为 1 或 1.0。

我们可以使用标量类型的构造函数来进行类型转换：

int a = 1;
float b = float(a); // 1.0
int c = int(b); // 1
uint d = uint(c); // 1u
bool e = bool(d); // true

当尝试将非标量值转换为标量值时，实际处理的将会是非标量值的第一个元素：

vec3 a = vec3(0.1, 0.2, 0.3);
float b = float(a); // 0.1

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向量（Vector）

在 GLSL 中向量一般用于储存顶点坐标、颜色或纹理坐标数据。

一个向量可以包含 2 到 4 个分量（Component），分量的类型也可以是以上基础类型中的任意一个，一般情况下我们使用浮点型 vecn 就已经足够了。

关键字

下面表格中的 n 为分量的个数

关键字	含义	举例
vecn	包含 n 个 float 类型分量的向量	vec2、vec4
ivecn	包含 n 个 int 类型分量的向量	ivec2、ivec4
uvecn	包含 n 个 uint 类型分量的向量	uvec2、uvec4
bvecn	包含 n 个 bool 类型分量的向量	bvec2、bvec4

创建向量

我们可以使用不同的构造函数来创建相应的向量：

vec2 coord = vec2(0.5, 0.5); // 含有 2 个 float 类型分量的向量
ivec3 police = ivec3(1, 1, 0); // 含有 3 个 int 类型分量的向量
bvec4 hello = bvec4(true, false, true, false); // 含有 4 个 bool 类型分量的向量

只传入一个参数的情况下会自动将其他值也设为第一个参数：

vec3 three = vec3(0.1); // 等同于 vec3(0.1, 0.1, 0.1)

也可以使用一个向量作为参数传给另一个向量构造函数：

vec2 two = vec2(0.1, 0.2);
vec3 three = vec3(two, 0.3); // vec3(0.1, 0.2, 0.3)

而将“大”向量作为参数来创建“小”向量（降维）会自动抛弃多余的值：

vec4 four = vec4(0.1, 0.2, 0.3, 0.4);
vec3 three = vec3(four); // 等同于 vec3(0.1, 0.2, 0.3)，抛弃了 0.4

获取分量

通过分量名来获取向量中的第 1 到第 4 个分量，包括：

实际上所有向量都可以使用 rgba、rgba 和 stpq 分量名，但是为了代码的严谨性和可读性，建议使用相应的分量名

分量名（对应第 1 - 4 个分量）	使用场景
x, y, z, w	顶点坐标向量
r, g, b, a	颜色向量
s, t, p, q	纹理坐标向量

使用 . 运算符加分量名来获取向量的分量：

// 顶点坐标
vec2 coord = vec2(1.0, 0.5);
float x = coord.x; // 1.0
float y = coord.y; // 0.5
float z = coord.z; // Error! 不存在

// 颜色
vec4 color = vec4(0.6, 0.8, 1,0, 0.5);
float r = color.r; // 0.6
float a = color.a; // 0.5
// 纹理坐标
vec4 texCoord = vec4(0.2, 0.4, 0.6, 0.8);
float t = texCoord.t; // 0.4
float p = texCoord.p; // 0.6

重组（Swizzling）

另外，你还可以使用同一组分量名的任意组合来创建一个新的向量，这一行为称作重组：

vec4 coord = vec4(0.1, 0.2, 0.3, 0.4);
vec2 one = coord.xx; // vec2(0.1, 0.1)
vec2 two = coord.xy; // vec2(0.1, 0.2)
vec3 three = coord.xzw; // vec3(0.1, 0.3, 0.4)
vec4 four = coord.wzyx; // vec4(0.4, 0.3, 0.2, 0.1)
vec4 boom = coord.xyzw + coord.wzyx; // vec4(0.5, 0.5, 0.5, 0.5)
vec4 hello = vec4(coord.zyx, 0.0); // vec4(0.3, 0.2, 0.1, 0.0)

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矩阵（Matrix）

一种类似于表格的复合数据类型，矩阵最多能够支持 4 列 4 行的数据，且其元素只能够为 float 类型。

关键字

下面表格中的 n 和 m 皆为 2 到 4 的任意数字

关键字	含义	举例
matnxn / matn（别名）	表示一个 n 列 n 行的浮点型矩阵	mat2、mat3、 mat3x3
matnxm	表示一个 n 列 m 行的浮点型矩阵	mat2x3、mat4x3

创建矩阵

使用不同的构造函数来创建相应的矩阵：

// 创建一个 2x2 的矩阵
mat2 two = mat2(0.1, 0.2, // 第一列
                0.3, 0.4); // 第二列

$$
\left[
\begin{matrix}
0.1 & 0.3 \
0.2 & 0.4
\end{matrix}
\right] \tag{two}
$$

// 创建一个 3x3 的矩阵
mat3 three = mat3(0.1, 0.2, 0.3, // 第一列
                  0.4, 0.5, 0.6, // 第二列
                  0.7, 0.8, 0.9); // 第三列

$$
\left[
\begin{matrix}
0.1 & 0.4 & 0.7 \
0.2 & 0.5 & 0.8 \
0.3 & 0.6 & 0.9
\end{matrix}
\right] \tag{three}
$$

只传入一个参数的情况下会自动补零：

mat2 two = mat2(1.0); // 等同于 mat2(1.0, 0.0, 0.0, 0.0)
mat3 three = mat3(1.0); // 等同于 mat3(1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0)

我们也可以向构造函数传入向量来创建矩阵：

vec2 a = vec2(1.0, 0.0);
vec2 b = vec2(0.5, 0.1);
mat2 four = mat2(a, b); // 等同于 mat2(1.0, 0.0, 0.5, 0.1)
// 创建一个 2x3 的矩阵
mat2x3 haha = mat2x3(a, 0.3,
                     b, 0.2); // 等同于 mat2x3(1.0, 0.0, 0.3, 0.5, 0.1, 0.2)

降维操作会自动抛弃多余的元素，升维则会自动补零：

// 伪代码
mat3x3(mat4x4); // 保留参数的前 3 列前 3 行的元素
mat2x3(mat4x2); // 保留参数的前 2 列前 2 行的元素，第 3 行补零

获取元素

可以通过 [] 操作符来获取矩阵的某个元素（下标从 0 开始）：

mat3 three = mat3(0.1, 0.2, 0.3, // 第一列
                  0.4, 0.5, 0.6, // 第二列
                  0.7, 0.8, 0.9); // 第三列
float el = three[0][2]; // 获取第一列第三行的元素：0.3

也可以通过分量名来获取元素：

float el = three[0].z; // 同上，获取第一列第三行的元素：0.3

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采样器（Sampler）

在 GLSL 中我们需要通过采样器来获取纹理的信息。

采样器只能在 Shader 外部的宿主语言中通过 OpenGL 的 API 来进行赋值。

关键字

采样器的类型较多，这里只列出了常见的几个

关键字	含义
sampler2D	用来访问 2D 纹理的句柄
sampler3D	用来访问 3D 纹理的句柄
samplerCube	用来访问立方体映射纹理的句柄
sampler2DArray	用来访问 2D 纹理数组的句柄

剩下不常用的还有 samplerCubeShadow、sampler2DShadow、sampler2DArrayShadow、isampler2D、isampler3D、isamplerCube、isampler2DArray、usampler2D、usampler3D、usamplerCube、usampler2DArray。

采样器必须使用 uniform 关键字来修饰（关于 uniform 我们后面会说到）：

uniform sampler2D texture;

通过内置的 texture 函数获取颜色：

uniform sampler2D myTexture;
// 通过内置的 texture 函数获取 myTexture 纹理 uv_0 坐标处的颜色
vec4 color = texture(myTexture, uv_0);

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结构体（Structure）

GLSL 允许你使用 struct 关键字来自定义一个新的类型，新的自定义类型可以包含其他已经定义的类型：

// 定义一个名为 circle 的类型，包含一个浮点型成员和一个四维向量成员
struct circle {
    float radius;
    vec4 color;
};
// 创建一个 circle 类型的变量
circle myCircle;
// 单独给 radius 赋值
myCircle.radius = 0.5;

定义新的结构体时可以包含已经定义的结构体，但是不能够在结构体中定义新的结构体：

// 结构体 A
struct A {
    float f;
};
// 结构体 B
struct B {
    A a; // 可
    A; // Error! 禁止匿名成员
    struct { ... }; // Error! 不可
}

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数组（Array）

GLSL 支持一维数组，只需要在变量名称后面接上一对方括号[]。

数组的长度必须大于 0，可以使用字面量或者整型常量：

// 字面量
float values[3];
// 整型常量
const int COUNT = 3;
float values2[COUNT];

作为函数的返回值或参数的类型：

// 返回值类型
float[5] getValues() { ... }
// 参数类型
void setValues(float[2] values) { ... }

使用相应的构造函数初始化数组：

float a[2] = float[2](0.1, 0.2);
// 另外下面这 4 种方式是一样的
float b[3] = float[3](0.1, 0.2, 0.3);
float b[] = float[3](0.1, 0.2, 0.3);
float b[3] = float[](0.1, 0.2, 0.3);
float b[] = float[](0.1, 0.2, 0.3);

同样通过 [] 运算符来获取数组中的元素（下标从0 开始）：

float a[3] = float[3](0.1, 0.2, 0.3);
float b = a[1]; // 0.2

通过数组的 length 函数可以获取数组的长度（int 类型）：

int a[3] = int[3](1, 2, 3);
int b = a.length(); // 3

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空（void）

一般用于函数返回值或参数的声明：

```glsl
void main() {
    // ...
}

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相关资料

OpenGL ES Registry（OpenGL ES 资料页）
https://www.khronos.org/registry/OpenGL/index_es.php

OpenGL ES 3 Quick Reference Card（OpenGL ES 3 快速参考卡片）
https://www.khronos.org/files/opengles3-quick-reference-card.pdf

GLSL ES Specification 3.00（GLSL ES 规范 3.0）
https://www.khronos.org/registry/OpenGL/specs/es/3.0/GLSL_ES_Specification_3.00.pdf

OpenGL ES 3.0 Online Reference Pages（OpenGL ES 3.0 在线参考页）
https://www.khronos.org/registry/OpenGL-Refpages/es3.0/

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