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!!!
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—▼—
· 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- 分量（Component）
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：
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)—▼—
· 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 | 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
// 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
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 = mat2x3(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—▼—
· 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 |
|---|---|
smapler2D | 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);—▼—
· 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
}—▼—
· 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—▼—
· 空（Void）
void 一般用于函数返回值或参数的声明：
void main(void) {
// ...
}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/