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Patricio Gonzalez Vivo
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03/README-ch.md
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03/README-ch.md
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## Uniforms
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现在我们知道了 GPU 如何处理并行线程，每个线程负责给完整图像的一部分配置颜色。尽管每个线程和其他线程之间不能有数据交换，但我们能从 CPU 给每个线程输入数据。因为显卡的架构，所有线程的输入值必须**统一**（uniform），而且必须设为**只读**。也就是说，每条线程接收相同的数据，并且是不可改变的数据。
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这些输入值叫做 ```uniform``` （统一值），它们的数据类型通常为：```float```, ```vec2```, ```vec3```, ```vec4```, ```mat2```, ```mat3```, ```mat4```, ```sampler2D``` and ```samplerCube```。uniform 值需要数值类型前后一致。且在 shader 的开头，在设定精度之后，就对其进行定义。
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```glsl
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#ifdef GL_ES
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precision mediump float;
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#endif
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uniform vec2 u_resolution; // 画布尺寸（宽，高）
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uniform vec2 u_mouse; // 鼠标位置（在屏幕上哪个像素）
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uniform float u_time; // 时间（加载后的秒数）
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```
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你可以把 uniforms 想象成连通 GPU 和 CPU 的许多小的桥梁。虽然这些 uniforms 的名字千奇百怪，但是在这一系列的例子中我一直有用到：```u_time``` （时间）, ```u_resolution``` （画布尺寸）和 ```u_mouse``` （鼠标位置）。按业界传统应在 uniform 值的名字前加 ```u_``` ，这样一看即知是 uniform。尽管如此你也还会见到各种各样的名字。比如[ShaderToy.com](https://www.shadertoy.com/)就用了如下的名字：
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```glsl
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uniform vec3 iResolution; // 视口分辨率（以像素计）
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uniform vec4 iMouse; // 鼠标坐标 xy： 当前位置, zw： 点击位置
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uniform float iGlobalTime; // shader 运行时间（以秒计）
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```
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好了说的足够多了，我们来看看实际操作中的 uniform 吧。在下面的代码中我们使用 ```u_time``` 加上一个 sin 函数，来展示图中红色的动态变化。
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<div class="codeAndCanvas" data="time.frag"></div>
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GLSL 还有更多惊喜。GPU 的硬件加速支持我们使用角度，三角函数和指数函数。这里有一些这些函数的介绍：[```sin()```](../glossary/?search=sin), [```cos()```](../glossary/?search=cos), [```tan()```](../glossary/?search=tan), [```asin()```](../glossary/?search=asin), [```acos()```](../glossary/?search=acos), [```atan()```](../glossary/?search=atan), [```pow()```](../glossary/?search=pow), [```exp()```](../glossary/?search=exp), [```log()```](../glossary/?search=log), [```sqrt()```](../glossary/?search=sqrt), [```abs()```](../glossary/?search=abs), [```sign()```](../glossary/?search=sign), [```floor()```](../glossary/?search=floor), [```ceil()```](../glossary/?search=ceil), [```fract()```](../glossary/?search=fract), [```mod()```](../glossary/?search=mod), [```min()```](../glossary/?search=min), [```max()```](../glossary/?search=max) 和 [```clamp()```](../glossary/?search=clamp)。
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现在又到你来玩的时候了。
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* 降低颜色变化的速率，直到肉眼都看不出来。
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* 加速变化，直到颜色静止不动。
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* 玩一玩 RGB 三个通道，分别给三个颜色不同的变化速度，看看能不能做出有趣的效果。
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## gl_FragCoord
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就像 GLSL 有个默认输出值 ```vec4 gl_FragColor``` 一样，它也有一个默认输入值（ ```vec4 gl_FragCoord``` ）。``` gl_FragCoord```存储了活动线程正在处理的**像素**或**屏幕片段**的坐标。有了它我们就知道了屏幕上的哪一个线程正在运转。为什么我们不叫 ``` gl_FragCoord``` uniform （统一值）呢？因为每个像素的坐标都不同，所以我们把它叫做**varying**（变化值）。
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<div class="codeAndCanvas" data="space.frag"></div>
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上述代码中我们用 ```gl_FragCoord.xy``` 除以 ```u_resolution```，对坐标进行了**规范化**。这样做是为了使所有的值落在 ```0.0``` 到 ```1.0``` 之间，这样就可以轻松把 X 或 Y 的值映射到红色或者绿色通道。
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在 shader 的领域我们没有太多要 debug 的，更多地是试着给变量赋一些很炫的颜色，试图做出一些效果。有时你会觉得用 GLSL 编程就像是把一搜船放到了瓶子里。它同样地困难、美丽而令人满足。
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现在我们来检验一下我们对上面代码的理解程度。
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* 你明白 ```(0.0,0.0)``` 坐标在画布上的哪里吗？
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* 那 ```(1.0,0.0)```, ```(0.0,1.0)```, ```(0.5,0.5)``` 和 ```(1.0,1.0)``` 呢？
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* 你知道如何用**未**规范化（normalized）的 ```u_mouse``` 吗？你可以用它来移动颜色吗？
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* 你可以用 ```u_time``` 和 ```u_mouse``` 来改变颜色的图案吗？不妨琢磨一些有趣的途径。
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经过这些小练习后，你可能会好奇还能用 shader 大法做什么。接下来的章节你会知道如何把你的 shader 和 three.js，Processing，和 openFrameworks 结合起来。
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04/README-ch.md
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04/README-ch.md
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## 运行你的 shader
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现在你可能跃跃欲试，想在你熟悉的平台上小试牛刀了。接下来会有一些比较流行的平台的示例代码，展示如何在这些平台上配置 shader。（在这个 [github 仓库](https://github.com/patriciogonzalezvivo/thebookofshaders/tree/master/04) 中有本章的三种平台的示例代码）
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**注释 1**：如果你不想用这些平台来运行 shader，且你想在浏览器外使用 shader，你可以下载[glslViewer](https://github.com/patriciogonzalezvivo/glslViewer)。这个 MacOS +树莓派程序直接在终端运行，并且是为本书的例子量身打造的。
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**注释2**：如果你想用 WebGL 显示 shader，并不关心其他平台，你可以用[glslCanvas](https://github.com/patriciogonzalezvivo/glslCanvas) 。这个 web 工具本来是为本书设计的，但是太好用了，所以我常常用在其他项目中。
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### **Three.js**
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为人谦逊而非常有才华的 Ricardo Cabello (也就是 [MrDoob](https://twitter.com/mrdoob) )和许多[贡献者](https://github.com/mrdoob/three.js/graphs/contributors) 一起搭了可能是 WebGL 最知名的平台，[Three.js](http://threejs.org/)。你可以找到无数程序示例，教程，书籍，教你如何用这个 JavaScript 库做出酷炫的 3D 图像。
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下面是一个你需要的例子，教你用 three.js 玩转 shader。注意 ```id="fragmentShader"```脚本，你要把下面的代码拷到里面。
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下面是一个 HTML 和 JS 的示例，
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```html
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<body>
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<div id="container"></div>
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<script src="js/three.min.js"></script>
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<script id="vertexShader" type="x-shader/x-vertex">
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void main() {
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gl_Position = vec4( position, 1.0 );
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}
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</script>
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<script id="fragmentShader" type="x-shader/x-fragment">
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uniform vec2 u_resolution;
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uniform float u_time;
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void main() {
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vec2 st = gl_FragCoord.xy/u_resolution.xy;
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gl_FragColor=vec4(st.x,st.y,0.0,1.0);
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}
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</script>
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<script>
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var container;
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var camera, scene, renderer;
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var uniforms;
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init();
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animate();
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function init() {
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container = document.getElementById( 'container' );
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camera = new THREE.Camera();
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camera.position.z = 1;
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scene = new THREE.Scene();
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var geometry = new THREE.PlaneBufferGeometry( 2, 2 );
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uniforms = {
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u_time: { type: "f", value: 1.0 },
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u_resolution: { type: "v2", value: new THREE.Vector2() }
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};
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var material = new THREE.ShaderMaterial( {
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uniforms: uniforms,
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vertexShader: document.getElementById( 'vertexShader' ).textContent,
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fragmentShader: document.getElementById( 'fragmentShader' ).textContent
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} );
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var mesh = new THREE.Mesh( geometry, material );
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scene.add( mesh );
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renderer = new THREE.WebGLRenderer();
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renderer.setPixelRatio( window.devicePixelRatio );
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container.appendChild( renderer.domElement );
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onWindowResize();
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window.addEventListener( 'resize', onWindowResize, false );
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}
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function onWindowResize( event ) {
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renderer.setSize( window.innerWidth, window.innerHeight );
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uniforms.u_resolution.value.x = renderer.domElement.width;
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uniforms.u_resolution.value.y = renderer.domElement.height;
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}
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function animate() {
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requestAnimationFrame( animate );
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render();
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}
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function render() {
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uniforms.u_time.value += 0.05;
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renderer.render( scene, camera );
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}
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</script>
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</body>
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```
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### **Processing**
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2001年由[Ben Fry](http://benfry.com/) 和 [Casey Reas](http://reas.com/) 创建，[Processing](https://processing.org/)是一个极其简约而强大的环境，非常适合初尝代码的人（至少对于我来是这样）。关于 OpenGL 和视频，[Andres Colubri](https://codeanticode.wordpress.com/)为 Processing 平台做了很重要的更新，使得环境非常友好，玩 GLSL shader 比起以前大大容易了。Processing 会在你的 sketch 的 ```data``` 文件夹搜索名为 ```"shader.frag"``` 的文件。记得把这里的示例代码拷到你的文件夹里然后重命名 shader。
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```processing
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PShader shader;
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void setup() {
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size(640, 360, P2D);
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noStroke();
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shader = loadShader("shader.frag");
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}
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void draw() {
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shader.set("u_resolution", float(width), float(height));
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shader.set("u_mouse", float(mouseX), float(mouseY));
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shader.set("u_time", millis() / 1000.0);
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shader(shader);
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rect(0,0,width,height);
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}
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```
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在 2.1 版之前的版本运行 shader，你需要在你的 shader 文件开头添加以下代码：
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```#define PROCESSING_COLOR_SHADER```。所以它应该看起来是这样：
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```glsl
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#ifdef GL_ES
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precision mediump float;
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#endif
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#define PROCESSING_COLOR_SHADER
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uniform vec2 u_resolution;
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uniform vec3 u_mouse;
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uniform float u_time;
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void main() {
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vec2 st = gl_FragCoord.st/u_resolution;
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gl_FragColor = vec4(st.x,st.y,0.0,1.0);
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}
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```
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更多 Processing 的 shader 教程戳 [tutorial](https://processing.org/tutorials/pshader/)。
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### **openFrameworks**
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每个人都有自己的舒适区，我的则是[openFrameworks community](http://openframeworks.cc/)。这个 C++ 框架打包了 OpenGL 和其他开源 C++ 库。在很多方面它和 Processing 非常像，但是明显和 C++ 编译器打交道一定比较麻烦。和 Processing 很像地，openFrameworks 会在你的 data 文件夹里寻找 shader 文件，所以不要忘记把你的后缀 ```.frag``` 的文件拷进去，加载的时候记得改名。
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```cpp
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void ofApp::draw(){
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ofShader shader;
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shader.load("","shader.frag");
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shader.begin();
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shader.setUniform1f("u_time", ofGetElapsedTimef());
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shader.setUniform2f("u_resolution", ofGetWidth(), ofGetHeight());
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ofRect(0,0,ofGetWidth(), ofGetHeight());
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shader.end();
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}
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```
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关于 shader 在 openFrameworks 的更多信息请参考这篇[excellent tutorial](http://openframeworks.cc/tutorials/graphics/shaders.html)，作者是 [Joshua Noble](http://thefactoryfactory.com/)。
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