【three.js】Shader着色器

原始着色器材质RawShaderMaterial

两种着色器材质的 RawShaderMaterial 和 ShaderMaterial 的区别和用法

区别：

ShaderMaterial 会自动将一些初始化着色器的参数添加到代码中（内置 attributes 和 uniforms）

RawShaderMaterial 则什么都不会添加。

RawShaderMaterial

特点：允许直接编写原始的 GLSL（OpenGL Shading Language）代码来控制顶点和片元的处理。它提供了最大的灵活性，但也需要开发者对着色器编程有深入的理解。

设置精度：使用 RawShaderMaterial 时，开发者需要在 GLSL 代码中手动设置浮点数的精度（如 precision mediump float;）。

适用场景：适合需要高度定制着色器行为的高级用户，或者当现有的 ShaderMaterial 不能满足特定需求时。

ShaderMaterial

特点：是 Three.js 提供的一个高级封装，它基于 RawShaderMaterial，但增加了一些便利性功能和默认设置。例如，它会自动处理浮点数的精度问题。

设置精度：在 ShaderMaterial 中，开发者通常不需要手动设置精度，因为 Three.js 会根据渲染器的配置自动处理。

适用场景：适合大多数需要自定义着色器的场景，特别是当开发者希望避免手动管理精度设置和其他底层细节时。

塑料质感（Plastic Shader）和动画质感（Toon Shader）

塑料质感

特点：模拟塑料表面的光泽和反射效果。通常通过调整高光强度、光泽度和颜色来实现。

实现：在片元着色器中，可以使用菲涅尔方程来计算反射率，并结合环境光和漫反射来计算最终颜色。

动画质感

特点：模拟卡通或动画风格的渲染效果。通常表现为颜色分块、边缘硬化和简化的光照模型。

实现：在片元着色器中，可以使用阶跃函数或平滑阶跃函数来控制颜色的过渡，从而实现分块效果。同时，可以通过调整光照模型来简化阴影和高光的表现。

着色器的类型

顶点着色器Vertex Shader

  顶点着色器的作用是将几何体的每个顶点放置在 2D 渲染空间上，即顶点着色器将 3D 顶点坐标转换为 2Dcanvas 坐标。

main函数

它将被自动调用，并且不会返回任何内容。

void main() {}

gl_Position

gl_Position 是一个内置变量，我们只需要给它重新赋值就能使用，它将会包含屏幕上的顶点的位置。下面 main 函数中就是用于给它设置合适的值。执行这段指令后，将得到一个 vec4，意味着我们可以直接在 gl_Position 变量上使用其x、y、z 和 w 属性。

void main() {
  gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(position, 1.0);
  gl_Position.x += 0.5;
  gl_Position.y += 0.5;
}

        平面向右上角发生了位移，但是需要注意的是，我们并没有像在 Three.js 中一样将平面在三维空间中进行了移动，我们只是在二维空间中移动了平面的投影。就像你在桌子上画了一幅具有透视效果的画，然后把它向桌子右上角移动，但是你的画中的透视效果并没有发生变化。

  gl_Position 的作用是在 2D 空间上定位 📍 顶点，既然是 2D 空间，为什么需要使用一个四维向量表示呢？实际上是这些坐标并不是精确的在 2D 空间，而是位于被称为 Clip Space 需要四个维度的裁切空间。裁切空间是指在 -1 到 +1 范围内所有 x、y、z3个方向上的空间，第四个值 w 用于表示透视。就像把所有东西都放在 3D 盒子中一样，任何超出范围的内容都将被裁切。gl_Position 这些内容的这些内容都是自动完成的，我们只需明白其大概原理即可。

位置属性Position attributes

       相同的代码将应用于几何体的每一个顶点，属性变量 attribute 是在顶点之间唯一会发生改变的变量。相同的顶点着色器 Vertex Shader 将应用于每一个顶点，position 属性将包含具体顶点的 x, y, z 坐标值。我们可以使用如下代码获取顶点位置：

attribute vec3 position;

        因为 gl_Position 是 vec4 类型，可以使用以下方法将 vec3 转化成 vec4：

gl_Position = /* ... */ vec4(position, 1.0);

矩阵限定变量Matrices uniforms

        每个矩阵将转换 position，直到我们获得最终的裁切空间坐标。下面是 3 个矩阵，因为在几何体所有顶点中它们的值都是相同的，我们可以通过 uniform 来获取它们。

uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 modelMatrix;

下面将对每个矩阵做出一些变换：

modelMatrix：将进行网格相关的变换，如缩放、旋转、移动等操作变换都将作用于 position。

viewMatrix：将进行相机相关的变换，如我们向左移动相机，顶点应该在右边、如果我们朝着网格方向移动相机，顶点会变大等。

projectionMatrix：会将我们的坐标转化为裁切空间坐标。

        为了使用矩阵，我们需要将其相乘，如果想让一个 mat4 作为变量，则该变量类型必须是 vec4。我们也可以将多个矩阵相乘：

gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(position, 1.0);

        实际上还可以使用更短的写法来让 viewMatrix 和 modelMatrix 组合成一个 projectionMatrix，虽然代码少了，但我们可控制的步骤也少了。

uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 modelViewMatrix;
attribute vec3 position;

void main(){
  gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
}

        实际中我们会选择更长的写法，以便于更好地理解及对 position 进行更多的控制。

uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 modelMatrix;
attribute vec3 position;

void main(){
  vec4 modelPosition = modelMatrix * vec4(position, 1.0);
  vec4 viewPosition = viewMatrix * modelPosition;
  vec4 projectedPosition = projectionMatrix * viewPosition;~~~~
    gl_Position = projectedPosition;
}

        上面两种写法都是等价的，使用下面这种时，我们可以更方便地进行控制，比如可以通过调整 modelPosition 的值来对整个模型进行移动，通过以下代码，就能向上移动模型：

void main() {
  vec4 modelPosition = modelMatrix * vec4(position, 1.0);
  modelPosition.y += 1.0;
  // ...
}

void main() {
  vec4 modelPosition = modelMatrix * vec4(position, 1.0);
  modelPosition.z += sin(modelPosition.x * 10.0) * 0.1;
  // ...
}

attribute：使用顶点数组封装每个顶点的数据，一般用于每个顶点都各不相同的变量，如顶点的位置。

uniform：顶点着色器使用的常量数据，不能被修改，一般用于对同一组顶点组成的单个 3D 物体中所有顶点都相同的变量，如当前光源的位置。

片元着色器Fragment Shader

  Fragment Shader 在 Vertex Shader 之后执行，它的作用是为几何体的每个可见像素进行着色。我们可以通过uniforms 将数据发送给它，也可以将 Vertex Shader 中的数据发送给它，我们将这种从 Vertex Shader 发送到 Fragment Shader 的数据称为 varying。

  Fragment Shader 中最直接的指令就是可以使用相同的颜色为所有像素进行着色。如果只设置了颜色属性，就相当于得到了与 MeshBasicMaterial 等价的材质。如果我们将光照的位置发送给 Fragment Shader，然后根据像素收到光照影响的多少来给像素上色，此时就能得到与 MeshPhongMaterial 效果等价的材质。

        片元着色器的代码将应用于几何体的每个可见像素，这就是片元着色器在顶点着色器之后运行的原因，它的代码比顶点着色器更易于管理

主函数main

void main() {}

精度Precision

在顶部有一条这样的指令，我们用它来决定浮点数的精度，有以下几种值供选择：

highp：会影响性能，在有些机器上可能无法运行；

mediump：常用的类型；

lowp：可能会由于精度问题产生错误

precision mediump float;

  RawShaderMaterial 原始着色器材质才需要设置精度，在着色器材质 ShaderMaterial中会自动处理。

在顶点着色器中也可以是指精度，但是这是非必须的。

gl_FragColor

  gl_FragColor 和 gl_Position 类似，但它用于颜色。它也一样是已经被内置声明了的，我们只需要在main 函数中重新给它赋值。它是一个 vec4，前三个值是红色、绿色、蓝色通道 (r, g, b)，第四个值是透明度 alpha(a)。gl_FragColor 的每个值的取值范围是 0.0 到 1.0，如果我们设置的值高于它们，也不会产生报错。

gl_FragColor = vec4(0.5, 0.0, 1.0, 1.0);

        为了 alpha 透明度值可以生效，我们需要在材质中将 transparent 属性设置为 true

const material = new THREE.RawShaderMaterial({
  vertexShader: testVertexShader,
  fragmentShader: testFragmentShader,
  transparent: true
})

属性Attributes

  Attributes 是每个顶点之间变化的值，我们之前已经有一个命名为 position 的属性变量，它是每个顶点在坐标轴中的 vec3 值。我们将为每个顶点添加一个随机值，并根据这个值在 z 轴上移动该顶点。在 JavaScript 代码中我们可以像下面这个直接给 BufferGeometry 添加 attribute 属性。然后再创建一个 32位 的浮点类型数组 Float32Array，为了知道几何体中有多少个顶点，现在可以通过 attributes 属性获取。最后在 BufferAttribute 中使用该数组，并将它添加到几何体的属性中。

setAttribute：第一个参数是需要设置的 attribute属性名称，然后在着色器中可以使用该名字，属性名命名时最好加一个 a 前缀方便区分。

BufferAttribute：第一个参数是数据数组；第二个参数表示组成一个属性的值的数量，如我们要发送一个 (x, y, z) 构成位置，则需要使用 3，示例中每个顶点的随机数只有 1个，因此这个参数使用 1。

const geometry = new THREE.PlaneBufferGeometry(1, 1, 32, 32)
const count = geometry.attributes.position.count
const randoms = new Float32Array(count)
// 使用随机数填充数组
for(let i = 0; i < count; i++) {
  randoms[i] = Math.random()
}
// 添加到几何体的属性中
geometry.setAttribute('aRandom', new THREE.BufferAttribute(randoms, 1))

        现在，我们可以在顶点着色器中获取该属性，并使用它移动顶点，可以得到一个如下图所示的一个由随机尖峰构成的平面。

attribute float aRandom;

void main(){
  // ...
  modelPosition.z += aRandom * 0.1;
  // ...
}

限定变量Varyings

varying: 从顶点着色器发送到片元着色器中的插值计算数据

       现在我们若想在片元着色器中想使用 aRandom 属性给片元着色，是无法直接使用 attribute 属性变量的。此时，实现这个功能的方法就是将这个值从顶点着色器发送到片元着色器，称这种变量为 varying。我们需要在两种着色器中都做如下的操作：

        在顶点着色器中，我们需要在 main 函数之前创建 varying，将其命名为以 v 作为前缀的变量名 vRandom，然后在 main 函数中给它赋值：

varying float vRandom;

void main() {
  // ...
  vRandom = aRandom;
}

        在片元着色器中，使用相同的方法声明，然后在 main 函数中使用它，可以得到如下的染色效果：

precision mediump float;
varying float vRandom;

void main() {
  gl_FragColor = vec4(0.5, vRandom, 1.0, 1.0);
}

        varying的一个有趣之处是，顶点之间的值是线性插值的，如GPU在两个顶点之间绘制一个片元，一个顶点的varying是1.0，另一个顶点的varying是0.0，则该片元值将为0.5。这个特性可以实现平滑的渐变效果。

统一变量Uniforms

1、概念：

        Uniforms（统一变量）是OpenGL着色器编程中的一种特殊全局变量，用于在图形渲染管线的不同阶段（如顶点着色器、片段着色器等）共享常量数据。

2、特点：

        Uniforms的值由CPU端的应用程序设置，并且在整个渲染调用过程中保持不变。

        Uniforms的生命周期跨越整个渲染帧，在这一帧内其值是恒定的。

        一个Uniforms变量在被链接在一起的所有着色器阶段中都是可见的，如果顶点着色器和片段着色器都引用了同一个Uniforms变量，则它们将访问到相同的值。

        Uniforms变量不能在着色器代码中进行赋值，但可以在声明时初始化一个缺省值。

3、定义方法：

        在GLSL（OpenGL Shading Language）中，使用关键字uniform进行声明，并指定其数据类型，例如矩阵、向量、标量或者结构体。例如：uniform mat4 modelMatrix;（用于存储模型变换矩阵），uniform vec3 lightPosition;（存储光源位置），uniform float time;（表示当前时间）。

4、赋值与传参：

        应用程序需要使用OpenGL API函数来为Uniforms变量分配内存地址并设置其值。这些函数包括glGetUniformLocation（获取Uniforms变量在着色器中的位置标识符），然后使用glUniform*系列函数（如glUniform1f，glUniform3fv，glUniformMatrix4fv等）来传递实际的数据。

        当Uniforms变量数量较多时，可以利用Uniform Buffer Objects（UBOs）进行优化。UBOs允许将多个Uniforms变量打包到连续的缓冲区中，一次性上传至GPU，从而减少API调用开销。

5、自定义Location：

        在着色器代码中，可以使用location布局限定符来指定Uniforms变量的位置。这样，OpenGL在链接着色器时会尝试将指定的位置分配给这些Uniforms变量。

6、活动Uniforms：

        在链接后的着色器程序中，并非所有声明的Uniforms都会被认为是“活跃”的。活跃的Uniforms是指在任何片段着色器、顶点着色器或其他类型的着色器阶段中有用到的Uniforms变量。

        可以使用glGetActiveUniform等函数来查询这些在链接后的着色器程序中确实起作用的Uniforms变量的详细信息，包括其名称、类型、大小和数组元素的数量等。

7、限制与注意事项：

        OpenGL对Uniforms变量的数量和大小有限制，这取决于硬件支持。超出限制会导致无法创建更多的Uniforms变量或无法设置更大的Uniforms数组。

        如果在顶点着色器和片段着色器中均声明了同一个Uniforms变量，则声明的类型必须相同，且在两个着色器中的值也需相同。

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