GLSL 数据类型和内置函数

一、【数据类型】：在 GLSL 中，uniform 的数据类型有很多种，主要分为以下几大类：

1. 基本数据类型

• float：浮点数
• int：整数
• bool：布尔值（true 或 false）

2. 向量类型

向量类型通常用于表示颜色、坐标等。

• vec2：二维向量，包含两个 float 值（如 2D 纹理坐标）。
• vec3：三维向量，包含三个 float 值（如颜色、3D 坐标）。
• vec4：四维向量，包含四个 float 值（如 RGBA 颜色、齐次坐标）。

整数向量：

• ivec2：二维整数向量
• ivec3：三维整数向量
• ivec4：四维整数向量

布尔向量：

• bvec2：二维布尔向量
• bvec3：三维布尔向量
• bvec4：四维布尔向量

3. 矩阵类型

矩阵类型通常用于几何变换，例如旋转、缩放、投影变换等。

• mat2：2x2 矩阵
• mat3：3x3 矩阵
• mat4：4x4 矩阵

4. 纹理采样器类型

采样器用于表示纹理，可以在片元着色器中对纹理进行采样。

• sampler1D（少见）：一维纹理采样器
• sampler2D：二维纹理采样器（常用于 2D 纹理）
• sampler3D：三维纹理采样器（3D 纹理，体积纹理）
• samplerCube：立方体贴图采样器（用于环境贴图等）
• sampler2DShadow：带阴影比较的二维纹理采样器（通常用于阴影贴图）

5. 数组类型

可以使用数组来定义多个 uniform 值。例如，uniform float weights[10]; 是包含 10 个 float 值的数组。数组可以用于大规模数据，例如多个光源的位置。

示例

以下是一些 uniform 定义示例：

// 基本数据类型
uniform float uTime;
uniform int uCount;

// 向量类型
uniform vec3 uColor;
uniform vec4 uPosition;

// 矩阵类型
uniform mat4 uModelMatrix;
uniform mat4 uViewMatrix;
uniform mat4 uProjectionMatrix;

// 纹理采样器类型
uniform sampler2D uTexture;

// 数组类型
uniform vec3 uLightPositions[5]; // 表示5个光源位置的数组

总结

GLSL uniform 数据类型非常灵活，涵盖从简单的浮点数到复杂的矩阵和纹理采样器。这些 uniform 类型能够帮助我们在着色器中高效地进行各种运算和效果的实现。

二、【内置函数】：GLSL 中有许多内置函数，用于各种数学运算、向量操作、纹理采样等。这些函数帮助我们在 GPU 上实现复杂的计算。以下是一些常用的 GLSL 函数分类及示例：

1. 数学函数

GLSL 提供了丰富的数学函数，涵盖基础的数学运算，如三角函数、指数、对数等。

• 三角函数：

  float sin(float angle); // 正弦
  float cos(float angle); // 余弦
  float tan(float angle); // 正切
  

• 反三角函数：

  float asin(float x); // 反正弦
  float acos(float x); // 反余弦
  float atan(float y, float x); // 反正切
  

• 指数和对数：

  float pow(float x, float y); // x 的 y 次方
  float exp(float x); // e 的 x 次方
  float log(float x); // 自然对数
  

• 根和绝对值：

  float sqrt(float x); // 平方根
  float abs(float x); // 绝对值
  

2. 向量操作函数

向量操作是 GLSL 中非常常见的运算，因为许多渲染计算都是基于向量的。

• 点积和叉积：

  float dot(vec3 x, vec3 y); // 点积
  vec3 cross(vec3 x, vec3 y); // 叉积
  

• 向量长度和归一化：

  float length(vec3 x); // 计算向量长度
  vec3 normalize(vec3 x); // 将向量归一化
  

• 插值函数：

  float mix(float x, float y, float a); // 线性插值
  

• 反射和折射：

  vec3 reflect(vec3 I, vec3 N); // 反射向量
  vec3 refract(vec3 I, vec3 N, float eta); // 折射向量
  

3. 几何变换函数

在 3D 图形处理中，经常需要对顶点进行旋转、缩放和变换。

• 矩阵变换：直接将向量乘以矩阵，例如：

  vec4 transformedPosition = modelMatrix * vec4(position, 1.0);
  

4. 纹理采样函数

在片元着色器中，我们通常需要采样纹理来获取纹理颜色。

• 采样函数：

  vec4 texture(sampler2D sampler, vec2 coord); // 从2D纹理采样
  vec4 textureCube(samplerCube sampler, vec3 coord); // 从立方体纹理采样
  

• 纹理 lod（细节层次）：

  vec4 textureLod(sampler2D sampler, vec2 coord, float lod); // 采样时指定细节层次
  

5. 条件函数

条件函数可用于限制值的范围或实现更复杂的条件判断。

• 最大值、最小值和取整：

  float max(float x, float y); // 取最大值
  float min(float x, float y); // 取最小值
  float clamp(float x, float minVal, float maxVal); // 将 x 限制在 minVal 和 maxVal 范围内
  

• 步进函数：

  float step(float edge, float x); // 如果 x >= edge 返回 1.0，否则返回 0.0
  float smoothstep(float edge0, float edge1, float x); // 在 edge0 到 edge1 之间平滑过渡
  

6. 噪声函数（自定义）

GLSL 本身不提供噪声函数，但我们可以自己定义简单的噪声生成算法，例如经典的 Perlin 噪声或 Simplex 噪声。以下是一个简单的噪声实现示例：

float random(vec2 st) {
    return fract(sin(dot(st.xy, vec2(12.9898,78.233))) * 43758.5453123);
}

7. 其他有用的数学工具

• 矩阵插值：mat4 mix(mat4 x, mat4 y, float a);
• 矩阵求逆：mat4 inverse(mat4 m);

这些函数都是 GLSL 着色器中处理向量、纹理和几何运算的强大工具，可以用来高效地处理图形和光影效果。希望对你在 GLSL 编程中有所帮助！