Minecraft GLSL Shader着色器基础教程#2 核心着色器

回顾

在上节教程中，我们介绍了后处理着色器中的渲染管线以及着色器程序(json)的格式，有5个可选的渲染管线，分别在旁观末影人(invert)、苦力怕(creeper)、蜘蛛(spider)，屏幕内有发光实体(entity_outline)，1.16+启用极佳画质(transparency)时启用。后处理着色器对整个屏幕生效，所有像素将被同时读取。

核心着色器

核心着色器(Core Shader)是Java版1.17加入的全新功能，允许玩家更加全面地更改游戏渲染内容。核心着色器负责渲染游戏的各个部分（如方块、实体、界面元素等等）。和后处理着色器类似，每个核心着色器都是由JSON文件定义的单个渲染程序，其中指定了顶点和片段着色器文件，不同的游戏内容使用不同的核心着色器，学习核心着色器最大的难点在于如何检测特定的游戏内容并更改。

下面展示几个核心着色器能做到的效果：

原版所有的核心着色器存储在shaders/core目录中。

后续我会在动态和该专栏评论区发布每个方块对应的核心着色器，关于每个核心着色器渲染的内容可以在Minecraft Fandom Wiki上查看"着色器"页面

核心着色器渲染的对象是游戏内容的每个像素，能够获取比后处理着色器更多的信息，如：顶点的位置、颜色信息，纹理采样器，包括运算需要的投影矩阵和旋转矩阵。（后处理着色器只能获得屏幕上某个坐标的颜色），关于这些内容将在下文的fsh、vsh编写中介绍。

核心着色器JSON

核心着色器也由一个着色器程序json调用vsh和fsh，json格式和后处理一致，但在attributes列表中多了一些列可以使用的属性UV、UV0、UV1、UV2、Normal、Color等。（其中UV0-2以及Normal作用不明，可能会在未来的某些时间更新教程）

GLSL语言

片段着色器(fsh)、和顶点着色器(vsh)的内容都采用GLSL编写，支持变量、函数、循环等基本的编程要素，但由于无法自由访问内存，GLSL并不支持递归操作。

有关核心语言的更多信息：khronos.org/opengl/wiki/Core_Language_(GLSL)

有关所有可用函数的详细文档：docs.gl/sl4/all

GLSL的语法类似于C语言，有编程基础的读者可以选择性阅读本段内容

工作流程

vsh和fsh中都应有且只有一个main函数，没有参数和返回值(void)，主函数在vsh和fsh中的任务分别是更新gl_Position或gl_FragColor这两个变量，这两个变量是GLSL中特殊的变量，使用时不需要声明，且值的类型都为vec4。gl_FragColor也可以被一个声明为out vec4 fragColor的变量代替（原版所有的fsh都使用了后面一种写法，但仍然可以使用gl_FragColor的写法，而不会出现错误）

数据类型

GLSL有三种数据类型、分别是标量、向量、矩阵，用于一系列计算

GLSL允许在构造矩阵或向量时随意组合其他其他的标量/向量，但要注意数据的个数以及类型，如：

除了[索引]外GLSL允许使用rgba或xyzw来访问向量的(0-3号)成员，这些字符也可以随意组合

注意：形如rgba的数据是一个vec4，类似foo.rgba = 1.0的代码是错误的，应该使用vec4(1.0)或vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0)进行赋值。尽管rgba和xyzw之间可以混用，但一般还是用rgba表示颜色，xyzw表示位置，防止混淆

变量修饰符

GLSL中可以将变量以uniform(全局量)、in(传入变量)、out(传出变量)

PS：在21w10a(1.17)后，原版着色器的GLSL版本由120升级到了150,原本varying(传递量)和attribute(属性)现在变为了in和out，具体可在原版.jar文件中查看示例，这里采用新版本的写法和译法

uniform全局量和后处理一样，可以通过着色器程序对应的json来声明，同样，在专栏末尾再次给出特殊作用的全局量列表

in传入变量和out传出变量配合使用，可以将变量在不同着色器流程中传递，vsh中使用in传入的变量似乎是写死的，但对于fsh则可以将变量声明为in来表示vsh中声明为out的变量，下面是原版核心着色器中的代码

Position、UV、Color为传入变量，对于核心着色器来说、Position是顶点的初始位置（值是该顶点相对于区块原点的三维坐标，在0.0和16.0之间）；UV是一个二维坐标，每项的值在0.0和1.0之间、用于在一张名为atlas的纹理合集上获取需要的纹理，可以通过UV检查着色器正在渲染的方块，但atlas会随着资源包中纹理数量的改变而改变，这种方法可能会因为纹理数量的改变而受影响；Color则是该顶点的纹理颜色

后处理着色器似乎只有Position这个传入变量，表示顶点在屏幕上的二维坐标。

因为后处理着色器的对象是一个平面，vsh和fsh的坐标值都相同且都为vec2类型的屏幕坐标，整个屏幕左下角的坐标是(0.0, 0.0)，右上角为(1.0, 1.0)坐标的值为负或大于1.0时并不会报错，但并没有实际意义。此外，我们还可以通过全局量InSize或OutSize两个全局量来检测玩家窗口的大小以及点的实际像素坐标。

核心着色器则有两个不同的坐标，在vsh中则有顶点的空间坐标，fsh中则有该点的纹理坐标，同样纹理左下角为(0.0, 0.0)，右上角为(1.0, 1.0)，坐标并不以纹理中的像素为单位。

texCoord、vertexColor是由vsh中同名变量传递而来，在vsh声明为out，在fsh声明为in，这样就可以将变量在不同着色器流程中传递。这两个变量的计算过程在vsh中，前者在核心着色器中被赋值为变量UV，即atlas纹理集中的UV坐标（同样名称的变量在后处理着色器中则为被采样点的屏幕坐标）后者只在核心着色器中使用，被赋值为Color，即该点的纹理颜色，读者可以自己在原版文件中阅读计算过程。

采样器

GLSL中还有一种特殊的变量，称为采样器Sampler，原版中只使用了平面采样器（sampler2D），这里就不再说明其他的采样器，感兴趣的读者可以在glsl的官方文档上学习。

sampler2D类型的变量可以通过一些列以textrue开头的函数获取数据，在原版中则是使用了texture()和texture2D()来获取纹理颜色。以texture2D为例，其语法为：

(vec4) texture2D(sampler2D sampler, vec2 texCoord);

一些特殊的着色器可能需要不止一张纹理数据，所以会出现多个采样器，可以通过原版的代码来分辨采样器的作用。原版一般将以DiffuseSampler、Sampler0为变量名的sampler2D作为纹理的采样器，以DepthSampler为变量名作为深度采样器

着色器中，和颜色相关的变量一般是vec4类型，分别对应Red（红色）、Green（绿色）、Blue（蓝色）、Alpha（不透明度）四个通道（有些可能为vec3，则对应RGB三个通道）。和纹理坐标一样，每个颜色通道的值一般也都在0.0到1.0之间，和常用的0-255不同，检测颜色时需要注意这一点。

原版着色器还有一种深度信息，在之后正式制作着色器的教程中会介绍。

全局量列表

下节预告：后处理着色器应用篇

本篇教程描述比较简短，但内容非常重要，编写着色器时可能会因为一些细节问题导致错误，所以建议多次消化本篇教程。

下面是一个简单的核心着色器，读者可以通过拆包了解

下载地址：https://github.com/ShockMicro/CorePerspectiveModels

添加了一种在玩家手上和物品栏里显示不同模型的方法。注意要把物品栏模型的纹理alpha通道设置为253，把手上物品模型的纹理alpha通道设置为254，将手上和物品栏中的模型放在一个模型文件中，并加上正确的纹理，把文件都放在正确的位置，即可使用