2021SC@SDUSC Ebiten（三） 着色器代码详解

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Go语言的简单2D游戏库-Ebiten   

 

目录

1、什么是着色器？

2、Ebiten API

NewShader

(*Image).DrawRectShader

DrawRectShaderOptions

其他

3、阴影语言Kage

句法

入口点

内置类型

内置类型的初始化函数

Swizzling

统一变量

内置函数 (Go)

内置函数（数学）

内置函数（图像）

纹理和图像

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1、什么是着色器？

着色器是在 GPU 上执行的程序。自定义着色器是 Ebiten 用户可以编写的着色器。使用着色器，可以高效地在 GPU 上执行复杂的渲染。

在 Ebiten 中，可以编写“片段着色器”。片段着色器是在每个像素上执行的着色器。粗略地说，这是一个为每个像素计算颜色的函数。此颜色计算在 GPU 上并行执行。

使用着色器，可以执行各种效果，例如照明或模糊。

go run -tags=example github.com/hajimehoshi/ebiten/v2/examples/shader@latest

Ebiten 采用了原始的着色语言“Kage”。这与 Go 具有兼容的语法，但细节不同。Kage具有很高的便携性。Ebiten 使用 OpenGL 或 Metal 等图形库，这取决于环境，但 Kage 是即时编译的，因此它在任何地方都可以正常工作。

例子

package main

// Uniform variables.
var Time float
var Cursor vec2
var ScreenSize vec2

// Fragment is the entry point of the fragment shader.
// Fragment returns the color value for the current position.
func Fragment(position vec4, texCoord vec2, color vec4) vec4 {
	// You can define variables with a short variable declaration like Go.
	lightpos := vec3(Cursor, 50)
	lightdir := normalize(lightpos - position.xyz)
	normal := normalize(imageSrc1UnsafeAt(texCoord) - 0.5)
	ambient := 0.25
	diffuse := 0.75 * max(0.0, dot(normal.xyz, lightdir))

	// You can treat multiple source images by
	// imageSrc[N]At or imageSrc[N]UnsafeAt.
	return imageSrc0UnsafeAt(texCoord) * (ambient + diffuse)
}

2、Ebiten API

NewShader

func NewShader(src []byte) (*Shader, error)

NewShader 用着色语言 Kage 编译着色器程序，并返回结果。

如果编译失败，则NewShader返回错误。

(*Image).DrawRectShader

func DrawRectShader(width, height int, shader *Shader, options *DrawRectShaderOptions)

DrawRectShader 使用指定的着色器绘制具有指定宽度和高度的矩形。

DrawRectShaderOptions

type DrawRectShaderOptions struct {
    // GeoM is a geometry matrix to draw.
    // The default (zero) value is identity, which draws the rectangle at (0, 0).
    GeoM GeoM

    // CompositeMode is a composite mode to draw.
    // The default (zero) value is regular alpha blending.
    CompositeMode CompositeMode

    // Uniforms is a set of uniform variables for the shader.
    // The keys are the names of the uniform variables.
    // The values must be float or []float.
    // If the uniform variable type is an array, a vector or a matrix,
    // you have to specify linearly flattened values as a slice.
    // For example, if the uniform variable type is [4]vec4, the number of the slice values will be 16.
    Uniforms map[string]interface{}

    // Images is a set of the source images.
    // All the image must be the same size with the rectangle.
    Images [4]*Image
}

其他

对于更原始的渲染，还有(*Image).DrawTrianglesShader和DrawTrianglesShaderOptions。

3、阴影语言Kage

句法

语法与 Go 基本相同。这在语法级别上完全相同。你甚至可以做到gofmt。

到目前为止，Kage 还没有这些 Go 的功能。

• 大多数类型（rune, string, 除int, interface、切片、指针、结构、函数类型、通道外的数字类型）
• 内置函数len（例如，new, make, panic）
• 新的类型定义 type
• 结构
• import
• switch
• goto
• for-range
• 协程
• defer
• init 职能
• 方法定义

入口点

Kage 只能定义一个片段着色器。Fragment具有以下输入参数的函数是入口点。

func Fragment(position vec4, texCoord vec2, color vec4) vec4

姓名	类型	描述
position	vec4	以像素为单位的目标位置。第 3 和第 4 分量始终为 0 和 1。
texCoord	vec2	源纹理在纹素中的位置。
color	vec4	从顶点给出的补充颜色信息。每个组件的值都在 0 到 1 之间。这个值只有在DrawTrianglesShader使用时才有意义。
（返回值）	vec4	当前位置的颜色。每个组件的值都在 0 到 1 之间。

内置类型

Kage 有这些内置类型。

• bool
• int
• float
• vec2, vec3, vec4（矢量）
• mat2, mat3, mat4(矩阵)

float是一个浮点数。与 Go 的float32and不同float64，float它不能保证精度。

vec2, vec3,vec4称为向量，是分别具有 2、3 和 4 个分量的元组。每个组件都是float. Swizzling 操作可用于向量值。

mat2, mat3,mat4是 2、3 和 4 维方阵。每个组件都是float.

Kage 还支持数组。Kage 不支持结构体。

内置类型的初始化函数

与 Go 类似，您可以通过将类型名称用作函数来获取类型的值。向量类型和矩阵类型非常特殊，它们可以采用灵活的参数。

v1 := vec4(0)              // Returns a vec4 whose components are all 0.
v2 := vec4(1, 2, 3, 4)     // Returns a vec4 whose components are 1, 2, 3 and 4.
v3 := vec3(5, 6, 7)
v4 := vec4(1, v3)          // Returns a vec4 whose components are 1, 5, 6 and 7.

m1 := mat4(2)              // Returns a mat4 whose diagonal components are 2 and the others are 0.
m2 := mat4(v1, v2, v3, v1) // Returns a mat4 whose columns are v1, v2, v3 and v1.

Swizzling

有一个特殊的操作叫做 Swizzling -搅拌 用于向量类型。可以同时读写多个组件。

v1 := vec4(1, 2, 3, 4)
v2 := v1.xyz           // Get vec3(1, 2, 3) and initialize v2 with this.
v2.xyz = v2.xxx        // Get vec3(1, 1, 1), and set it to all the components to v2.
                       // Then, v2 is now (1, 1, 1).

每个组件如下所示。可以将它们混合在同一组中，但不能在不同组中混合。例如，.xxyy和.abgr可用，但.xxgg无效。

• x, y, z,w
• r, g, b,a
• s, t, p,q

统一变量

统一变量是一个全局变量，其值在外部给出。无论像素的位置如何，该值都是相同的。

在 Kage 中，uniform 变量是以大写开头的全局变量（即导出变量）。

不能在 Kage 中为统一变量赋值。

不能在 Kage 中定义除统一变量之外的其他全局变量。

内置函数 (Go)

功能	描述
cap(x T) int	T是数组类型。返回数组的长度。(v2.1.0)
len(x T) int	T是数组类型。返回数组的长度。

内置函数（数学）

大多数内置函数都是通用的。T表示float, vec2,vec3或vec4除非另有说明。当类型为向量时，该函数适用于每个组件。

 

内置函数（图像）

功能	描述
imageSrcNAt(pos vec2) vec4	返回源图像N 的纹素中vec4给定位置pos的颜色值。N为 0 到 3。
imageSrcNUnsafeAt(pos vec2) vec4	返回源图像N 的纹素中vec4给定位置pos的颜色值。N为 0 到 3。与安全版本 (imageSrcNAt )的区别在于位置越界时的返回值。在这种情况下，安全版本返回 vec4(0)，而不安全版本的返回值未定义。不安全的版本更快。如果您确定位置在边界内，则可以使用不安全版本来提高性能。
imageSrcTextureSize() vec2	以像素为单位返回源图像的纹理大小
imageDstTextureSize() vec2	以像素为单位返回目标图像的纹理大小
imageSrcRegionOnTexture() (vec2, vec2)	以 texels 为单位返回源图像的原点位置和纹理上的大小
imageDstRegionOnTexture() (vec2, vec2)	返回目标图像的原点位置和纹理大小（以 texels 为单位）（v2.1.0）

纹理和图像

Ebiten 的图像 ( ebiten.Image) 实际上是内部纹理的一部分。然后，着色器中的位置计算有点复杂。

像素是一个颜色点的单位。另一方面，texel 是一个覆盖整个区域的单位，值在 0 到 1 之间。 texel 的含义取决于纹理，因此不能将不同纹理的 texel 混合在一起。

要相互转换像素和纹素，可以使用这些公式。