Shader 编程：GLSL 重要的内置函数

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前面发了一些关于 Shader 编程的文章，有读者反馈太碎片化了，希望这里能整理出来一个系列，方便系统的学习一下 Shader 编程。

由于主流的 Shader 编程网站，如 ShaderToy, gl-transitions 都是基于 GLSL 开发 Shader ，加上 MSL 和 GLSL 语法上差别不大，后面系列文章将以 GLSL 为主来介绍 Shader 编程。

后面 Shader 编程将使用 VSCode + ShaderToy 插件作为编程环境，步骤如下：

1. 下载安装 VSCode https://code.visualstudio.com/download；
   

2. 安装 ShaderToy 插件；

3. 新建以 .frag 为后缀名的文件，复制粘贴本文的代码；

4. 当前代码，点击鼠标右键，选择 ShaderToy:Show GLSL Preview , 然后就可以愉快地调试特效了。

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为啥要单独写一篇讲讲 GLSL 的几个常用内置函数？主要是为了避免新手在 Shader 编程中看到一些关键字，如 ceil,f ract, smoothstep 等一脸懵。

推荐一个 GLSL 函数仿真的网站，支持 GLSL 所有的内置函数。

https://graphtoy.com/

可以非常方便仿真 GLSL 的内置函数，可视化操作，支持时间自变量。

step

step 函数是一个阶跃函数，它将一个浮点数与一个阈值进行比较，并返回一个阶跃值。

函数的原型如下：

float step(float edge, float x)
vec2 step(vec2 edge, vec2 x)
vec3 step(vec3 edge, vec3 x)
vec4 step(vec4 edge, vec4 x)

其中，edge 是阈值，x 是输入值。函数的工作方式如下：

如果 x 小于等于 edge，则返回 0.0。
如果 x 大于 edge ，则返回 1.0。

step 函数常用于生成不同的阶梯效果或者在着色器中实现条件控制。

step 常与 mod(取模)函数一起使用生成周期锯齿波。

如 step(1.0, mod(x, 2.0))

floor

floor 函数是一个取底函数，它返回不大于输入值的最大整数。函数的原型如下：

float floor(float x)
vec2 floor(vec2 x)
vec3 floor(vec3 x)
vec4 floor(vec4 x)

其中，x 是输入值。对于输入值 x，返回不大于 x 的最大整数。

ceil

ceil 函数用于取上整(取顶)，返回不小于输入值的最小整数。函数的原型如下：

float ceil(float x)
vec2 ceil(vec2 x)
vec3 ceil(vec3 x)
vec4 ceil(vec4 x)

对于浮点数输入值 x ，返回不小于 x 的最小整数。

ceil 和 floor 函数对于将浮点数转换为整数、实现对坐标的取整、裁剪等操作非常有用。请注意，这两个函数适用于标量和向量类型，并将每个分量分别进行取上整操作。

fract

fract 函数用于获取浮点数的小数部分。它返回输入值的小数部分，即去除整数部分后的部分。函数的原型如下：

float fract(float x)
vec2 fract(vec2 x)
vec3 fract(vec3 x)
vec4 fract(vec4 x)

fract 函数常用于周期性计算、纹理坐标的映射、渐变效果等场景中，可以方便地提取浮点数的小数部分。

比较常见的分屏特效，使用 fract 函数可以轻易实现。

N 分屏的实现代码：

#iChannel0 "https://img-baofun.zhhainiao.com/pcwallpaper_ugc_mobile/static/2ddf8479959f1f3d9f52d0d561d281fe.jpg"

void mainImage(out vec4 fragColor, in vec2 fragCoord)
{
    vec2 uv = fragCoord / iResolution.xy;

    float N = 2.0;

    uv *= N;
    uv = fract(uv);

    fragColor = texture2D(iChannel0, uv);
}

smoothstep

smoothstep 函数是一个平滑阶梯函数，用于在两个阈值之间进行平滑的插值。函数的原型如下：

float smoothstep(float edge0, float edge1, float x)
vec2 smoothstep(vec2 edge0, vec2 edge1, vec2 x)
vec3 smoothstep(vec3 edge0, vec3 edge1, vec3 x)
vec4 smoothstep(vec4 edge0, vec4 edge1, vec4 x)

其中，edge0 和 edge1 是阈值，x 是输入值。函数的工作方式如下：

如果 x 小于等于 edge0，返回 0.0。
如果 x 大于等于 edge1，返回 1.0。
如果 x 在 edge0 和 edge1 之间，进行平滑插值计算，并返回插值结果。

smoothstep 函数的插值过程使用了 Hermite 插值，可以产生平滑的过渡效果。在阈值范围之外，函数的返回值为 0 或 1，而在阈值范围之内，返回值在 0 到 1 之间进行平滑插值。

smoothstep 这个函数做图形图像边缘平滑过渡比较常用，后面会经常用到，到时候再举例展开。

后续安排

后面 OpenGL & Metal Shader 编程系列文章大致安排：

1. ShaderToy 内置全局变量
2. 重要的内置函数
3. 基本图形
4. 距离场
5. 噪声函数
6. 基础特效…
7. 转场特效…
8. 高阶特效…

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