WebGL着色器内置变量gl_PointSize、gl_Position、gl_FragColor、gl_FragCoord、gl_PointCoord

WebGL着色器内置变量

WebGL中文教程网

本文是WebGL教程(电子书)的2.7节内容

着色器语言在GPU的着色器单元执行，javascript语言、C语言在CPU上执行，任何一种语言的语法规则，整体设计都和它执行的硬件有一定的关系，GPU和CPU执行程序的硬件单元既有相同点，也有不同点。这里谈到GPU和CPU不是为了讲解硬件，而是为了提醒大家，学习着色器语言有些语法可以参考javascript、C等执行在CPU上的语言，比如if语句、for语句、浮点数、布尔值，有些语法完全没必要参考javascript、C等执行在CPU上的语言，比如着色器语言中的内置变量gl_PointSize、gl_Position、gl_FragColor等等，声明一些变量使用的关键字attribute、uniform、varying。学习着色器语言的时候，如果你有兴趣可以深入研究GPU，对于WebGL学习来说，把GPU当成一个黑箱就可以，你只需要学会着色器语言的编程规则即可

普通变量，着色器语言和javascript语言一样需要先声明后使用，所谓内置变量就是不用声明可以直接赋值，主要是为了实现特定的功能。

内置变量	含义	值数据类型
gl_PointSize	点渲染模式，方形点区域渲染像素大小	float
gl_Position	顶点位置坐标	vec4
gl_FragColor	片元颜色值	vec4
gl_FragCoord	片元坐标，单位像素	vec2
gl_PointCoord	点渲染模式对应点像素坐标	vec2

gl_PointSize

当WebGL执行绘制函数gl.drawArrays()绘制模式是点模式gl.POINTS的时候，顶点着色器语言main函数中才会用到内置变量gl_PointSize，使用内置变量gl_PointSize主要是用来设置顶点渲染出来的方形点像素大小。

void main() {
  //给内置变量gl_PointSize赋值像素大小，注意值是浮点数
  gl_PointSize=20.0;
}

//绘制函数绘制模式：点gl.POINTS
gl.drawArrays(gl.POINTS,0,点数量);

gl_Position

gl_Position内置变量主要和顶点相关，出现的位置是顶点着色器语言的main函数中。gl_Position内置变量表示最终传入片元着色器片元化要使用的顶点位置坐标。

如果只有一个顶点，直接在给顶点着色器中设置内置变量gl_Position赋值就可以，内置变量gl_Position的值是四维向量vec4(x,y,z,1.0),前三个参数表示顶点的xyz坐标值，第四个参数是浮点数1.0。

void main() {
  //顶点位置，位于坐标原点
  gl_Position = vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);
}

如果你想完全理解内置变量gl_Position，必须建立逐顶点的概念，如果javascript语言中出现一个变量赋值，你可以理解为仅仅执行一次，但是对于着色器中不能直接这么理解，如果有多个顶点，你可以理解为每个顶点都要执行一遍顶点着色器主函数main中的程序。

多个顶点的时候，内置变量gl_Position对应的值是attribute关键字声明的顶点位置坐标变量apos，顶点位置坐标变量apos变量对应了javascript代码中多个顶点位置数据。

<script id="vertexShader" type="x-shader/x-vertex">
  //attribute声明vec4类型变量apos
  attribute vec4 apos;
  void main() {
    //顶点坐标apos赋值给内置变量gl_Position
    //逐顶点处理数据
    gl_Position = apos;
  }
script>

逐顶点处理的案例：WebGL的每一个顶点位置坐标都会通过平移矩阵m4进行矩阵变换，相当于批量操作所有的顶点数据，进行了平移，只是平移的计算通过矩阵乘法运算完成的而已。所谓的逐顶点，在这里体现的就是每一个顶点都会执行main函数中的矩阵变换。你可以参照生活的流水线去理解，比如多个同样的设备从我这里经过，我会分别对他们进行同样的操作，比如安装一个零件。

<script id="vertexShader" type="x-shader/x-vertex">
  //attribute声明vec4类型变量apos
  attribute vec4 apos;
  void main() {
    //创建平移矩阵(沿x轴平移-0.4)
    //1   0   0  -0.4
    //0   1   0    0
    //0   0   1    0
    //0   0   0    1
    mat4 m4 = mat4(1,0,0,0,  0,1,0,0,  0,0,1,0,  -0.4,0,0,1);
    //平移矩阵m4左乘顶点坐标(vec4类型数据可以理解为线性代数中的nx1矩阵，即列向量)
    // 逐顶点进行矩阵变换
    gl_Position = m4*apos;
  }

script>

gl_Position的顶点数据传递

attribute声明的顶点变量数据如何通过javascript的WebGL API批量传递所有顶点数据。

<script>
    //顶点着色器源码
    var vertexShaderSource = document.getElementById( 'vertexShader' ).innerText;
    //片元着色器源码
    var fragShaderSource = document.getElementById( 'fragmentShader' ).innerText;
    //初始化着色器
    var program = initShader(gl,vertexShaderSource,fragShaderSource);
    //获取顶点着色器的位置变量apos，即aposLocation指向apos变量。
    var aposLocation = gl.getAttribLocation(program,'apos');

    //类型数组构造函数Float32Array创建顶点数组
    var data=new Float32Array([0.5,0.5,-0.5,0.5,-0.5,-0.5,0.5,-0.5]);

    //创建缓冲区对象
    var buffer=gl.createBuffer();
    //绑定缓冲区对象,激活buffer
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER,buffer);
    //顶点数组data数据传入缓冲区
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER,data,gl.STATIC_DRAW);
    //缓冲区中的数据按照一定的规律传递给位置变量apos
    gl.vertexAttribPointer(aposLocation,2,gl.FLOAT,false,0,0);
    //允许数据传递
    gl.enableVertexAttribArray(aposLocation);
...
script>

gl_FragColor

gl_FragColor内置变量主要用来设置片元像素的颜色，出现的位置是片元着色器语言的main函数中。

内置变量gl_Position的值是四维向量vec4(r,g,b,a),前三个参数表示片元像素颜色值RGB，第四个参数是片元像素透明度A，1.0表示不透明,0.0表示完全透明。

// 片元颜色设置为红色
gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);

理解内置变量gl_Position需要建立逐顶点的概念，对于内置变量gl_FragColor而言，需要建立逐片元的概念。顶点经过片元着色器片元化以后，得到一个个片元，或者说像素点，然后通过内置变量gl_FragColor给每一个片元设置颜色值，所有片元可以使用同一个颜色值，也可能不是同一个颜色值，可以通过特定算法计算或者纹理像素采样。

根据位置设置渐变色

  void main() {
    // 片元沿着x方向渐变
    gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.x/500.0*1.0,1.0,0.0,1.0);
  }

纹理采样

// 接收插值后的纹理坐标
varying vec2 v_TexCoord;
// 纹理图片像素数据
uniform sampler2D u_Sampler;
void main() {
  // 采集纹素，逐片元赋值像素值
  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler,v_TexCoord);
}

片元坐标gl_FragCoord

内置变量gl_FragCoord表示WebGL在canvas画布上渲染的所有片元或者说像素的坐标，坐标原点是canvas画布的左上角，x轴水平向右，y竖直向下，gl_FragCoord坐标的单位是像素，gl_FragCoord的值是vec2(x,y),通过gl_FragCoord.x、gl_FragCoord.y方式可以分别访问片元坐标的纵横坐标。

下面代码是把canvas画布上不同区域片元设置为不同颜色。

<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">
  void main() {
    // 根据片元的x坐标，来设置片元的像素值
    if(gl_FragCoord.x < 300.0){
      // canvas画布上[0,300)之间片元像素值设置
      gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
    }else if (gl_FragCoord.x <= 400.0) {
      // canvas画布上(300,400]之间片元像素值设置
      gl_FragColor = vec4(0.0,1.0,0.0,1.0);
    }else {
      // canvas画布上(400,500]之间片元像素值设置
      gl_FragColor = vec4(0.0,0.0,1.0,1.0);
    }    
    // 所有片元设置为红色
    // gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
  }
script>

片元的颜色随着坐标变化(设置一个渐变色效果)

<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">
  void main() {
    // 片元沿着x方向渐变
    gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.x/500.0*1.0,1.0,0.0,1.0);
  }
script>

渲染点片元坐标gl_PointCoord

如果你想了解内置变量gl_PointCoord表示的坐标含义，就需要了解WebGL绘制函数gl.drawArrays()的绘制模式参数gl.POINTS。

绘制函数gl.drawArrays()绘制模式参数设置为点渲染模式gl.POINTS，WebGL会把顶点渲染为一个方形区域，在顶点着色器代码中可以通过内置变量gl_PointSize设置顶点渲染的方向区域像素大小。

一个顶点渲染为一个方形区域，每个方形区域可以以方向区域的左上角建立一个直角坐标系，然后使用内置变量gl_PointCoord描述每个方形区域中像素或者说片元的坐标，比如方形区域的左上角坐标是(0.0,0.0),每个方形区域几何中心坐标是(0.5,0.5)，右下角坐标是(1.0,1.0)。

注意内置变量gl_PointCoord和gl_FragCoord表示的像素坐标含义不同,查看下图表示。

// 点绘制模式渲染10个顶点
gl.drawArrays(gl.POINTS,0,10);

顶点着色器中通过内置变量gl_PointSize设置点渲染的方形区域像素尺寸。

void main() {
  //点渲染的方形区域像素大小
  gl_PointSize = 20.0;
  ...
}

gl_PointCoord应用案例

gl.POINTS绘制模式点默认渲染效果是方形区域，通过下面片元着色器代码设置可以把默认渲染效果更改为圆形区域。

<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">
  precision lowp float;// 所有float类型数据的精度是lowp
  void main() {
    // 计算方形区域每个片元距离方形几何中心的距离
    // gl.POINTS模式点渲染的方形区域,方形中心是0.5,0.5,左上角是坐标原点,右下角是1.0,1.0，
    float r = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5, 0.5));
    //根据距离设置片元
    if(r < 0.5){
      // 方形区域片元距离几何中心半径小于0.5，像素颜色设置红色
      gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
    }else {
      // 方形区域距离几何中心半径不小于0.5的片元剪裁舍弃掉：
      discard;
    }
  }

script>

通过gl_PointCoord返回的是片元纵横坐标vec2(x,y),自然通过xy分量gl_PointCoord.x、gl_PointCoord.y方式可以分别访问片元坐标的横坐标、纵坐标，