three.js 着色器材质基础

Posted 2020-12-19 郭先生的博客

说起three.js，着色器材质总是绕不过的话题，今天郭先生就说一说什么是着色器材质。着色器材质是很需要灵感和数学知识的，可以用简短的代码和绘制出十分丰富的图像，可以说着色器材质是脱离three.js的另一块知识，因此它十分难讲，我们只能在一个一个案例中逐渐掌握着色器语言的使用技巧。

1. 什么是着色器材质

着色器材质（ShaderMaterial）是一个用GLSL编写的小程序 ，在GPU上运行。它能够提供 materials 之外的效果，也可以将许多对象组合成单个Geometry或BufferGeometry以提高性能。

2. 着色器材质的变量

每个着色器材质都可以指定两种不同类型的shaders，他们是顶点着色器和片元着色器(Vertex shaders and fragment shaders)。

• 顶点着色器首先运行; 它接收attributes， 计算/操纵每个单独顶点的位置，并将其他数据（varyings）传递给片元着色器。
• 片元（或像素）着色器后运行; 它设置渲染到屏幕的每个单独的“片元”（像素）的颜色。

shader中有三种类型的变量: uniforms, attributes, 和 varyings

• Uniforms是所有顶点都具有相同的值的变量。 比如灯光，雾，和阴影贴图就是被储存在uniforms中的数据。 uniforms可以通过顶点着色器和片元着色器来访问。
• Attributes 与每个顶点关联的变量。例如，顶点位置，法线和顶点颜色都是存储在attributes中的数据。attributes 只 可以在顶点着色器中访问。
• Varyings 是从顶点着色器传递到片元着色器的变量。对于每一个片元，每一个varying的值将是相邻顶点值的平滑插值。

注意：在shader 内部，uniforms和attributes就像常量；你只能使用javascript代码通过缓冲区来修改它们的值。

3. 着色器材质的使用

上面说了每个着色器材质都可以指定两种不同类型的shaders，不过如果我们不去指定这两个shaders而直接使用也不会报错，因为ShaderMaterial已经定义了默认的顶点着色器和片元着色器，他们的代码是这样的。

//顶点着色器代码
void main() {
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position, 1.0 );
}
//片元着色器代码
void main() {
    gl_FragColor = vec4( 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 );
}

这里的projectionMatrix、modelViewMatrix和position都是three为我们设置好的变量，可以直接拿来用，前两个变量我们之前已经说了，而position就是每一个顶点的坐标值，当着色器代码执行时，会循环执行gl_Position和gl_FragColor设置顶点位置，和颜色插值。并且我们最终要设置的就是gl_Position和gl_FragColor。多的先不说，下面看一个小例子。

var geom = new THREE.SphereGeometry(10, 30, 20);
var mate = new THREE.ShaderMaterial({
    vertexShader: `
    varying vec3 vNormal;
    void main() {
                //将attributes的normal通过varying赋值给了向量vNormal
        vNormal = normal;
                //projectionMatrix是投影变换矩阵 modelViewMatrix是相机坐标系的变换矩阵 最后我们将y值乘以1.4得到了一个形如鸡蛋的几何体
        gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4( position.x, position.y * 1.4, position.z, 1.0 );
    }
    `,
    fragmentShader: `
        //片元着色器同样需要定义varying vec3 vNormal；
    varying vec3 vNormal;
    void main() {
                //vNormal是一个已经归一化的三维向量
        float pr = (vNormal.x + 1.0) / 2.0; //pr红色通道值范围为0~1
        float pg = (vNormal.y + 1.0) / 2.0; //pg绿色通道值范围为0~1
        float pb = (vNormal.z + 1.0) / 2.0; //pb蓝色通道值范围为0~1
        gl_FragColor=vec4(pr, pg, pb, 1.0); //最后设置顶点颜色，点与点之间会自动插值
    }
    `
})
var mesh = new THREE.Mesh(geom, mate);
scene.add(mesh)

这篇我们简单的操作顶点着色器和片元着色器绘制了一个五彩的鸡蛋，但是这还仅仅是一个静态的着色器，下一篇我们让着色器材质动起来。

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