Shader开发（四）计算机图形学中的颜色定义

引言

在计算机图形学中，颜色的定义和表示是构建视觉效果的基础。无论是游戏中的角色、场景中的物体，还是动画中的特效，颜色都扮演着至关重要的角色。本文将带你深入了解颜色在图形学中的表示方法，探索其背后的原理，并揭示Alpha通道在透明效果中的作用。

---

颜色的表示方法

RGB模型

在编程中，颜色通常由三个基本分量组成：红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）。这三个分量共同构成了我们所见的各种颜色。例如，纯红色可以表示为(255, 0, 0)，而白色则是(255, 255, 255)。

颜色的表示方式多种多样：

• 整数表示：每个分量取值范围为0到255，0表示无颜色，255表示最大强度。

• 浮点数表示：分量取值范围为0.0到1.0，0.0表示无颜色，1.0表示最大强度。

• 十六进制表示：如#FF0000表示红色，#FFFFFF表示白色。

这些表示方法在不同场景下各有优势，开发者可以根据需求选择合适的表示方式。

图1-8 表示颜色的不同方法

从图1-8可以看出，同一种颜色可以用多种数值格式来精确表示，这体现了数字化颜色系统的灵活性和标准化特征。

Alpha通道

在图形学中，颜色不仅包含RGB分量，还可能包含一个额外的分量——Alpha（A）。Alpha通道用于表示颜色的不透明度，其取值范围通常为0.0（完全透明）到1.0（完全不透明）。

• 当Alpha值为1.0时，物体完全不透明，遮挡其后方的物体。

• 当Alpha值为0.0时，物体完全透明，透过它可以看到后方的物体。

• Alpha值在0.0到1.0之间时，物体呈现半透明效果，如玻璃或水面。

Alpha通道的应用极大地丰富了视觉效果，使得场景中的物体可以呈现出更加真实和多样的透明度。

图1-9 左边立方体的alpha值是1.0,右边立方体的alpha值是0.8

图1-9清晰地展示了Alpha值对视觉效果的影响。左侧立方体的Alpha值为1.0，表现为完全不透明的实心物体；右侧立方体的Alpha值为0.8，呈现出类似有色玻璃的半透明效果，可以透过物体看到背后的内容。

---

向量与颜色的关系

向量表示颜色

在着色器编程中，颜色通常使用4分量向量（vec4）来表示，其中：

• 前三个分量（X、Y、Z）分别对应红色、绿色和蓝色。

• 第四个分量（W）表示Alpha值。

当颜色不需要透明度时，也可以使用3分量向量（vec3）来表示RGB颜色。

在代码中，向量的分量通常被称为R、G、B、A，而非X、Y、Z、W。这种命名方式更直观，有助于开发者快速识别颜色的各个分量。

颜色的数学运算

由于颜色以向量的形式存储，我们可以对颜色进行各种数学运算，如加法、减法和缩放。这些运算在光照计算、颜色混合等场景中非常有用。

例如：

• 颜色混合：通过加权平均两个颜色向量，得到新的混合颜色。

• 颜色缩放：通过乘以标量，调整颜色的亮度。

这些运算为开发者提供了灵活的工具，以实现丰富的视觉效果。