Three.js入门教程2 - 着色器（下）

techbrood 发表于 2016-03-15 23:43:02

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这是WebGL着色器教程的后半部分，如果你没看过前一篇，阅读这一篇教程可能会使你感到困惑，建议你翻阅前面的教程。
上一篇结束的时候，我们在屏幕中央画了一个好看的粉红色的球体。现在我要开始创建一些更加有意思的东西了。
在这一篇教程中，我们会先花点时间来加入一个动画循环，然后是顶点attributes变量和一个uniform变量。我们还要加一些varying变量，这样顶点着色器就可以向片元着色器传递信息了。最终的结果是哪个粉红色的球体会从顶部开始向两侧“点燃”，然后作有规律的运动。这有一点迷幻，但是会帮助你对着色器中的三种变量有更好的了解：他们互相联系，实现了整个集合体。当然我们会在Three.js的框架中做这些。
1.模拟光照
让我们更新颜色吧，这样球体看起来就不会是个扁平晦暗的圆了。如果我们想看看Three.js是怎样处理光照的，我敢肯定你会发现这比我们需要的要复杂得多，所以我们先模拟光照吧。你应该浏览一下Three.js中那些奇妙的着色器，还有一些来自最近的一个 Chris Milk 和 Google, Rome 的WebGL项目。
回到着色器，我们要更新顶点着色器来向片元着色器传递顶点的法向量。利用一个varying变量：

// 创建一个varying变量vNormal，顶点着色器和片元着色器都包含了该变量 
varying vec3 vNormal; 
void main() { 
// 将vNormal设置为normal，后者是Three.js创建并传递给着色器的attribute变量 
vNormal = normal; 
gl_Position = projectionMatrix * 
modelViewMatrix * 
vec4(position, 1.0); 
}

在片元着色器中，我们将会创建一个相同变量名的变量，然后将法线向量和另一个表示来自右上方光线的向量点乘，并将结果作用于颜色。最后结果的效果有点像平行光。

// 和顶点着色器中一样的变量vNormal 
varying vec3 vNormal; 
void main() { 
// 定义光线向量 
vec3 light = vec3(0.5,0.2,1.0); 
// 确保其归一化 
light = normalize(light); 
// 计算光线向量和法线向量的点积，如果点积小于0（即光线无法照到），就设为0 
float dProd = max(0.0, dot(vNormal, light)); 
// 填充片元颜色 
gl_FragColor = vec4(dProd, // R 
dProd, // G 
dProd, // B 
1.0); // A 
}

使用点积的原因是：两个向量的点积表明他们有多么“相似”。如果两个向量都是归一化的，而且他们的方向一模一样，点积的值就是1；如果两个向量的方向恰巧完全相反，点积的值就是-1。我们所做的就是把点积的值拿来作用到光纤上，所以如果这个点在球体的右上方，点积的值就是1，也就是完全照亮了；而在另一边的点，获得的点积值接近0，甚至到了-1。我们将获得的任何负值都设置为0。当你将数据传入之后，你就会看到最基本的光照效果了。

下面是什么？我们会将顶点的坐标掺和进来。
2.Attribut变量
接下来我要通过Attribute变量为每一个顶点传递一个随机数，这个随机数被用来将顶点沿着法线向量推出去一段距离。新的结果有点像一个怪异的不规则物体，每次刷新页面物体都会随机变化。现在，他还不会动（后面我会让他动起来），但是几次刷新就可以很好地观察到，他的形状是随机的。
让我们开始为顶点着色器加入attribute变量吧：

attribute float displacement; 
varying vec3 vNormal; 
void main() { 
vNormal = normal; 
// 将随机数displacement转化为三维向量，这样就可以和法线相乘了 
vec3 newPosition = position + 
normal * vec3(displacement); 
gl_Position = projectionMatrix * 
modelViewMatrix * 
vec4(newPosition, 1.0); 
}

你看到什么都没变，因为attribute变量displacement还没有被设定你，所以着色器就使用了0作为默认值。这时displacement还没起作用，但我们马上就要在着色器材质中加上attribute变量了，然后Three.js就会自动地把它们绑在一起运行了。

同时也要注意这样一个事实，我将更新后的位置指定给了一个新的三维向量变量，因为原来的位置变量position，就像所有的attribute变量一样，都是只读的。
3.更新着色器材质
现在我们来更新着色器材质，传入一些东西给attribute对象displacement。记住，attribute对象是和顶点一一对应的，所以我们对球体的每一个顶点都有一个值，就像这样：

var attributes = { 
displacement: { 
type: 'f', // 浮点数 
value: [] // 空数组 
} 
}; 
var vShader = $('#vertexshader'); 
var fShader = $('#fragmentshader'); 
// 创建一个包含attribute属性的着色器材质 
var shaderMaterial = 
new THREE.MeshShaderMaterial({ 
attributes: attributes, 
vertexShader: vShader.text(), 
fragmentShader: fShader.text() 
}); 
// 向displacement中填充随机数 
var verts = sphere.geometry.vertices; 
var values = attributes.displacement.value; 
for(var v = 0; v < verts.length; v++) { 
values.push(Math.random() * 30); 
}

这样，就可以看到一个变形的球体了。最Cool的是：所有这些变形都是在GPU中完成的。
4.动起来
要使这东西动起来，应该怎么做？好吧，应该做这两件事情。

一个uniform变量amplitude，在每一帧控制displacement实际造成了多少位移。我们可以使用正弦或余弦函数来在每一帧中生成它，因为这两个函数的取值范围从-1到1。
一个JS动画循环。

我们需要将这个uniform变量加入到着色器材质中，同时也需要加入到顶点着色器中。先来看顶点着色器：

uniform float amplitude; 
attribute float displacement; 
varying vec3 vNormal; 
void main() { 
vNormal = normal; 
// 将displacement乘以amplitude，当我们在每一帧中平滑改变amplitude时，画面就动起来了 
vec3 newPosition = 
position + 
normal * 
vec3(displacement * 
amplitude); 
gl_Position = projectionMatrix * 
modelViewMatrix * 
vec4(newPosition, 1.0); 
}

然后更新着色器材质：

var uniforms = { 
amplitude: { 
type: 'f', // a float 
value: 0 
} 
}; 
var vShader = $('#vertexshader'); 
var fShader = $('#fragmentshader'); 
// 创建最终的着色器材质 
var shaderMaterial = 
new THREE.MeshShaderMaterial({ 
uniforms: uniforms, 
attributes: attributes, 
vertexShader: vShader.text(), 
fragmentShader: fShader.text() 
});

我们的着色器也已经就绪了。但我们好像又倒退了一步，屏幕中又只剩下光滑的球了。别担心，这是因为amplitude值设置为0，因为我们将amplitude乘上了displacement，所以现在看不到任何变化。我们还没设置循环呢，所以amplitude只可能是0.

在我们的JavaScript中，需要将渲染过程打包成一个函数，然后用requestAnimationFrame去调用该函数。在这个函数里，我们更新uniform（译者注：即amplitude）的值。

var frame = 0; 
function update() { 
// amplitude来自于frame的正弦值 
uniforms.amplitude.value = 
Math.sin(frame); 
// 更新全局变量frame 
frame += 0.1; 
renderer.render(scene, camera); 
// 指定下一次屏幕刷新时，调用update 
requestAnimFrame(update); 
} 
requestAnimFrame(update);

5.小结
就是它了！你看到球体正在奇怪地脉动着。关于着色器，还有太多的内容没有讲到呢，但是我希望这篇教程能够对你有一些帮助。现在，当你看到一些其他的着色器时，我希望你能够理解它们，而且你应该有信心去创建自己的着色器了！

和往常一样，我把源代码打包在这里，你可以下载来作为一个参考。