Three.js教程
shader
什么是 Shader

什么是 Shader

虽然，我们的很多效果可以通过 Three.js 实现，但是在某些时候它生成效果不太理想，而且从性能上讲，也不是很高效。

比如，我们经常使用 Three.js 粒子系统来实现粒子效果，但如果我们想生成烟雾、雨滴等特效，那么 Three.js 粒子系统的效果并不理想。

这个时候，我们就需要使用 Shader 了。

Shader 的基本概念

Shader（着色器）是一种用于计算图像、处理像素或图形的程序，通常用于图形处理单元（GPU）。它们的主要作用是在图形渲染过程中处理顶点、像素、光照、纹理等数据，从而生成最终图像。

Shader 通常是使用类似 C 或 C++ 的语言（如 GLSL 或 HLSL）编写的，并且直接运行在 GPU 上，因此非常高效。通过编写 Shader，开发者可以实现各种视觉效果，比如光影效果、材质效果、后处理效果等。

通常有几种常见的 Shader 类型：

  • Vertex Shader（顶点着色器）： 处理每个顶点的数据，如位置、颜色、法线等，执行顶点变换，将顶点从模型空间转换到屏幕空间。 例如，它会计算物体的位置、旋转、缩放等变换。
  • Fragment Shader（片段着色器）： 处理每个像素的颜色，决定最终显示在屏幕上的颜色。 这通常涉及计算光照、纹理映射和颜色混合等操作。
  • Geometry Shader（几何着色器）： 介于顶点着色器和片段着色器之间，用于生成新的几何体（比如在渲染时生成额外的顶点），但它不是每个像素都执行，而是每个图元（如三角形、线段等）执行。
  • Compute Shader（计算着色器）： 用于执行通用计算任务，不专门用于渲染。它能够在 GPU 上执行数据处理、算法等，广泛用于图像处理、物理模拟等场景。

举个例子

Shader 就是一个“指令集”，它告诉 GPU 如何处理图形渲染中的每一个步骤。 明白了！让我们用一个更简单、更贴近日常生活的例子来解释。

比喻：制作一个 彩色透明玻璃球。

想象你正在制作一个漂亮的 彩色透明玻璃球，但你没有亲自制作，而是让一个自动化机器（GPU）来做，你只需要给它明确的指导。Shader 就是你给机器的“做球指令”，让它知道如何一步步完成这个球。

1. 顶点着色器：制作球的形状

首先，你需要告诉机器，玻璃球的位置和形状。也就是说，你给机器一个 球的骨架，告诉它球的表面上有很多小点（这些点就是“顶点”），并且它们的位置在哪里。

  • 顶点着色器 的任务就像是这个部分，它告诉机器 每个点的坐标 在哪里，如何把这些点连起来，形成一个 球的轮廓。
  • 你不需要告诉机器如何制作球的每个细节，只要它知道球的大致形状就可以。

2. 片段着色器：给球上色和加透明效果

接着，你要告诉机器，这个球的表面应该是什么颜色？它是否有透明度？是否反射光线？这些颜色和光泽的细节，机器就通过 片段着色器 来处理。

  • 片段着色器 会计算每个点（像素）上的颜色。例如，玻璃球可能是半透明的，光线照射到球上时，球表面会有 反射光泽，有的地方可能更亮或更暗。

  • 它会根据光照条件，计算球体表面每个小点的颜色、亮度和透明度。

整体过程：

  1. 顶点着色器：

    • 你告诉机器如何确定球的形状。机器根据顶点位置将这些点连接成球的表面。
    • 比如，球的顶点可以像一个个小点，机器计算它们的 3D 位置，连接成球体。

  2. 片段着色器：

    • 然后，你告诉机器：“这些小点要有不同的颜色、透明度和光泽。”机器计算每个小点的颜色，给球表面每个像素上色。
    • 如果球是透明的，片段着色器会告诉机器：要通过透明度来实现效果。或者，如果光线照射到球上，反射部分会亮一些，机器就会调整反射的亮度。

整体理解：

  • 顶点着色器 就是告诉机器“球的大致形状是什么样的”。
  • 片段着色器 就是告诉机器“这个球的表面颜色、透明度、反射光泽该怎么处理”。

通过这两步，机器就能够按照你的要求，制作出一个漂亮的彩色透明玻璃球。

结论

Shader 就是给机器的指令集。它可以告诉机器如何构建物体的 形状（顶点着色器），并且告诉它如何计算物体的 细节效果（片段着色器）。这样，机器可以根据这些指令自动生成你想要的图像或效果。

为什么使用 Shader

简单来说，Shader 是计算机图形学中的“必需品”，它让我们能够高效、灵活地控制图像的渲染和效果。下面是几个 使用 Shader 的主要原因：

1. 提高性能

  • GPU 并行计算：Shader 运行在 GPU 上，而 GPU 设计用于处理大规模的并行计算，能够同时处理成千上万的像素和顶点。这使得图形渲染可以非常高效，远比 CPU 逐个处理要快得多。 例如，在渲染 3D 游戏时，成千上万的三角形、像素和光照计算都可以同时在 GPU 上并行执行，从而显著提高渲染速度。

2. 高效的硬件加速

  • 专用硬件：现代 GPU 上的 Shader 被专门优化过，能够充分利用硬件的计算能力。通过使用 GPU 的并行处理能力，Shader 使得图形渲染可以以极高的速度进行。 比如，通过顶点着色器处理 3D 模型的变换和光照，片段着色器处理每个像素的颜色和效果，这些任务都可以同时进行，不会阻塞，极大地提高渲染效率。

3. 提供丰富的视觉效果

  • 定制化效果：Shader 让开发者能够控制图像渲染的每个细节，创造出各种独特的视觉效果。这些效果包括：
    • 光照效果：如阴影、反射、折射等。
    • 纹理映射：如多重纹理、动态纹理、环境映射等。
    • 粒子效果：如火焰、烟雾、爆炸等。
    • 后处理效果：如模糊、色调映射、景深等。 Shader 的灵活性和强大功能使得开发者能够实现这些效果，从而让图像更加生动和真实。

4. 实时渲染

  • 即时反馈：在许多现代应用中，尤其是 游戏 和 虚拟现实 中，图形渲染需要实时完成。Shader 可以在实时渲染过程中，快速处理图像的各个方面，保证画面更新的流畅度和响应速度。 比如，在游戏中，角色的运动、环境的光照变化、物体的反射等都需要在每一帧中实时计算并渲染，而 Shader 能够以极高的效率完成这些任务。

5. 高度可定制

  • 灵活控制图像效果：开发者可以根据自己的需求，编写自己的 Shader，完全控制图像的每个细节。例如，可以通过 Shader 实现独特的 水面效果、夜景光照、动态天气变化，甚至是 虚拟物体的模拟效果。 这种灵活性让开发者能够实现任何想要的视觉效果，甚至是一些其他渲染技术无法轻松实现的复杂效果。

6. 简化和优化渲染管线

  • 降低 CPU 工作负担：在传统的渲染方式中，CPU 需要进行大量的计算来处理每个像素、每个顶点。而通过 Shader，图形的处理被分担给 GPU，减轻了 CPU 的负担，提高了整体性能。 例如，顶点着色器会在 GPU 上直接处理顶点位置和光照计算，片段着色器负责计算每个像素的颜色，这些都大大减少了 CPU 的计算任务。

7. 支持高级渲染技术

  • 支持复杂效果和技术：很多高级的渲染技术，如 光线追踪、全局光照、环境光遮蔽（AO）等，都依赖于 Shader 来实现。通过 Shader，开发者能够实现更真实、更复杂的视觉效果，提升图像质量。 比如，光线追踪就需要通过精确的计算来模拟光的传播，Shader 可以在 GPU 上高效完成这些计算，提供更高质量的光照效果。

结论：

Shader 之所以被广泛使用，主要是因为它能够：

  • 加速渲染，提高性能。
  • 提供丰富的视觉效果，使得图像更加真实、生动。
  • 支持实时渲染，满足游戏和互动应用的要求。
  • 高度可定制，让开发者可以精细控制渲染的每个部分。
  • 优化计算，减轻 CPU 的负担。

通过 Shader，开发者能够在现代 GPU 上高效处理图形渲染的各个方面，创造出极为复杂和精美的图形效果。

Three.js 和 WebGL 的关系

WebGL 是底层 API，Three.js 是封装层

  • WebGL 是一个 JavaScript API，它允许你直接在网页上进行硬件加速的 3D 渲染。WebGL 是 浏览器 提供的接口，可以让你与 GPU 直接交互，从而绘制 3D 图形。
  • Three.js 是一个 封装层，它基于 WebGL 的低级接口，提供了更高级、更易用的 API，简化了 3D 渲染的复杂性。也就是说，Three.js 是在 WebGL 之上构建的，它使得开发者能够更容易地创建 3D 场景、物体、光照等。

使用 Three.js，你仍然在使用 WebGL

  • 实际上，Three.js 内部是基于 WebGL 来工作的，所有的渲染和计算最终都会通过 WebGL 与 GPU 进行交互。因此，你使用 Three.js 时，背后实际上是在利用 WebGL 的底层功能，Three.js 只是帮你做了封装和优化。

Shader 和 WebGL 关系

Shader 和 WebGL 之间的关系可以通过以下几个方面来理解：

1. WebGL 依赖于 Shader 来实现渲染效果

  • WebGL 是一个底层的图形渲染 API，它允许你通过 JavaScript 与 GPU 直接交互来绘制图形。但是，WebGL 并没有内建很多高级的渲染功能，它依赖于 Shader 来进行大多数的图形计算和效果。
  • Shader 是一段运行在 GPU 上的程序，WebGL 使用着色器来完成实际的渲染任务，比如计算顶点的位置、每个像素的颜色、物体的光照、材质等。换句话说，WebGL 通过 Shader 来完成图形渲染的核心工作。

2. WebGL 通过 Shader 操作渲染管线

  • WebGL 渲染管线包含多个阶段，其中最关键的就是 顶点着色器 和 片段着色器。这两个着色器负责图形的变换和像素的最终颜色计算：
    • 顶点着色器（Vertex Shader）：它处理图形的每个顶点，进行坐标变换、光照计算等操作，将物体的形状和位置传递给后续的渲染阶段。
    • 片段着色器（Fragment Shader）：它计算每个像素的最终颜色，考虑纹理、光照、透明度等效果，决定屏幕上每个像素的显示内容。 这些 着色器 是 WebGL 运行时的关键，它们在 GPU 上高效执行，是 WebGL 渲染图像的核心部分。

3. WebGL 与 Shader 的工作流程

  • 在 WebGL 中，渲染流程大致如下：
    1. WebGL 创建并设置 着色器程序（包括顶点着色器和片段着色器）。
    2. WebGL 将数据（如顶点数据、纹理等）传递给 着色器，并启动着色器程序。
    3. 顶点着色器首先对顶点数据进行处理，进行空间变换、计算光照等操作。
    4. 接着，片段着色器处理每个像素的颜色，并根据设置的光照、纹理等决定最终的颜色输出。
    5. 最终渲染结果通过 WebGL 显示在浏览器中。 在这个过程中，WebGL 提供了渲染管线的框架和接口，而 Shader 具体执行渲染计算。

4. WebGL 使用 GLSL 来编写 Shader

  • WebGL 使用 GLSL（OpenGL Shading Language） 语言来编写 Shader。GLSL 是一种类似于 C 的语言，专门用于编写运行在 GPU 上的程序。开发者可以通过 WebGL 提供的 API 来加载和编译这些 GLSL 编写的着色器，执行图形渲染任务。
  • 在 WebGL 中，开发者需要自己编写 顶点着色器 和 片段着色器，并将它们与 WebGL 的渲染管线进行关联。

5. WebGL 与 Shader 的关系总结

  • WebGL 是一个低级的图形 API，负责与 GPU 交互、设置渲染管线和执行渲染任务。但它并不直接处理如何渲染每个像素或顶点的细节，这些任务都交给 Shader 来完成。
  • Shader 是 WebGL 渲染管线的核心部分，通过它来控制图像的处理方式，包括计算顶点位置、像素颜色、光照、纹理等各种效果。
  • WebGL 提供了一个框架和接口，开发者通过编写 Shader 来控制图像渲染的每个细节。

结论：

  • WebGL 是一种底层的图形 API，用于与 GPU 进行交互并执行渲染。
  • Shader 是运行在 GPU 上的程序，负责渲染的核心计算任务。
  • WebGL 使用 Shader（如顶点着色器和片段着色器）来完成图形渲染过程中的各种计算任务，最终在屏幕上显示图像。

可以把 WebGL 想象成一辆车的底盘，而 Shader 就是车的引擎，负责提供实际的动力和操作。

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