从0开始编写minecraft光影包（0）GLSL，坐标系，光影包结构介绍
2024-05-13 12:15:36
目录
- 前言
- 我参考的资料
- 坐标系与坐标变换
- 世界坐标系
- 模型坐标系
- 眼坐标系
- 裁剪坐标系
- NDC坐标
- 屏幕坐标系
- MVP与坐标变换
- 在shadermod中的世界坐标
- GLSL入门
- 面向像素
- 顶点与片段着色器
- 变量修饰
- 向量操作
- 矩阵运算
- 使用纹理
- 数学帮助函数
- 内置变量
- DRAWBUFFERS与颜色缓冲区
- 光影包结构
- 第一个着色器
- composite.vsh
- compsite.fsh
- 简单滤镜特效
- 坐标可视化
- 深度缓冲纹理获取ndc坐标
- ndc坐标可视化
- 眼坐标可视化
- “我的世界坐标” 可视化
- 小结
前言
minecraft作为一款知名的沙盒游戏，影响了一代人 ，我从初中开始玩minecraft，一直玩到带学 。
minecraft本身的画质并不好，但是打了shadermod之后，可以达到炸裂般的高画质。shadermod又称光影mod，他需要配合光影包（即一系列的代码）来实现渲染的效果。渲染的效果取决于代码。
小时候，由于家里电脑配置并不好，无法流畅地运行光影mod，于是我开始想办法做“优化”，比如尝试删掉光影包里面的一些代码，或者减少其for循环的次数等等 。作为初中生，我无法理解其代码工作原理，当时很好奇，人生中第一次接触的编程语言就是GLSL。
变量，if，循环，在我眼里都很新奇，我尝试改变一个颜色变量的值，于是屏幕变成了对应的颜色，我发现虽然我不会写，但是我能够基于别人写的光影包，做出修改，我敲下第一段代码，来将太阳的颜色做出调整… 我发现自己对编程有点兴趣 这可能也为我之后选择计算机专业埋下了伏笔 。
基于别人的光影包来修改虽然很方便，但是我还是希望能自己动手编写一个属于自己的光影包。因为当时上初中不会编程 ，课业繁忙（其实就是自己太菜），一直没能实现这个愿望。到了带学，我逐渐忘记了这个愿望。直到我的hxd AbysStartdust 在他的Linux上搭建了一个mc服务器，我才重新玩回mc，想起来自己曾经有这么个愿望，正好下学期有图形学的课 遂学glsl。
我参考的资料
因为shadermod（光影mod）的参考资料非常少，学习起来非常困难，下面整理一些我经常看的资料：
- szszss大神的博客，强烈推荐 看他（她？）的博客，非常详细，教科书般的讲解，简直就是shadermod的中文手册+例程代码，对我的帮助非常大，感谢szszss大神！
- continue团队的教程，全英文生肉，无字幕，当时看的时候可费劲了。。。 这是他的油管空间 ，有热心hxd把它搬到b站上面来了，这是b站链接
- shadermod的wiki，全英文，不过比较简陋，只有一些变量最基本的介绍。。。
- wshxbqq的GitHub，是学习笔记，对GLSL有比较全面的介绍
其中对我帮助最大的要数老越共 szszss大神的博客，真的太强了！
坐标系与坐标变换
在GLSL中，或者说在opengl中，坐标系都是非常重要的东西。有了坐标系，就能够在扁平化的片段着色器中，确定像素的位置，这使得我们可以完成一些复杂的渲染，比如阴影。下面来介绍opengl中常用的坐标系
世界坐标系
世界坐标系即绝对坐标系，一个顶点在世界坐标系中的位置，不会随着视角或者相机的位置改变而改变。事实上，在任何情况下，一个顶点的世界坐标被确定，那么将永远不会发生变化。
模型坐标系
模型坐标系是当前顶点相对于模型而言的坐标系。模型发生旋转，模型坐标系轴随之转动。这个坐标系我们在编写着色器的时候不关心，因为总是要通过各种变换把它变换到其他坐标系。
眼坐标系
眼坐标系又名相机坐标系，视角坐标系。眼坐标系以摄像机视点中心为原点。和模型坐标系类似，顶点在眼坐标系中的坐标，随着相机（视角）的较度改变而改变。
值得注意的是，眼坐标系中的坐标是不包含投影变换的。比如下图中，红蓝方块位于眼坐标系x轴的相同位置：
裁剪坐标系
裁剪坐标系通过投影而得到。投影的具体方法，就是根据摄像机的 镜头视场 ，将场景裁剪摄像机 能够看到 的部分，然后 投影 到摄像机 镜头 上
值得注意的是，投影变换只是获得场景中相机的可视部分，并未做透视除法，只是裁剪掉了不可视的部分，因此名叫裁剪坐标系。
NDC坐标
NDC坐标又名归一化的设备坐标。裁剪坐标系下的坐标通过 透视除法 得到NDC坐标系下的坐标。
裁剪坐标通过 透视除法 得到NDC坐标。透视除法 其实就是裁剪坐标系下的坐标的xyz分量，除以自己的w分量。
透视除法，使得近处的坐标值大，远处的坐标值小。如图，红蓝方块具有不同的x轴坐标：
除此之外，NDC坐标的xyz都是[-1, 1]这个区间中的。
屏幕坐标系
屏幕坐标系中，屏幕左下角为(0, 0)而右上角为(1, 1)。
屏幕坐标由NDC坐标经过视口变换而得到，其实就是缩放（乘0.5再加0.5）
值得注意的是，因为由NDC坐标转换而来，屏幕坐标系同样包含了投影变换。比如如图的红蓝方块在屏幕坐标系中x轴位置就不相同：
MVP与坐标变换
MVP变换又称：模型-视图-投影变换。在着色器中：
- 顶点的坐标一开始位于模型坐标系，通过
模型（M -- Model）变换，变换到世界坐标系下 - 再通过
视图（V -- View）变换，变换到眼坐标系下 - 然后通过
投影（P -- Projection）变换，变换到裁剪坐标系 - 随后通过
透视除法变换到NDC坐标系 - 最后做一个
视口变换变换到屏幕坐标系
下面的流程图给出了顶点变换的全部流程：
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模型变换
视图变换
投影变换
透视除法
视口变换
模型坐标系
世界坐标系
眼坐标系
裁剪坐标系
NDC坐标系
屏幕坐标系
在shadermod中的世界坐标
shadermod中的世界坐标和上文提到的世界坐标略有不同，我们称之为 “我的世界坐标” ，是以玩家为中心的坐标。
换句话说，相机位置即是 “我的世界坐标” 原点。
使用shadermod提供的视图模型变换矩阵，得到的世界坐标，其实是 “我的世界坐标” 。因为和常理不太相同，故单独提出来。
事实上，之所以转为 “我的世界坐标” 而不是定义上的世界坐标，是因为 “我的世界坐标” 对后续特性的编程实现提供便利。
GLSL入门
shadermod使用glsl语言编写，想要写shader，我们就必须先了解glsl。glsl类似c语言，常用的数据类型与流程控制，包括结构体，数组等，都有，其中增加mat（matrix矩阵）和vec（vector向量）类型，此外，还有sampler2D（采样器，即纹理）等类型，后面细
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