着色器编程入门：顶点着色器与像素着色器

# 1. 计算机图形学基础概述

计算机图形学作为计算机科学中重要的分支领域，负责研究和开发如何利用计算机来生成、处理和显示图像的技术和算法。在图形学领域中，着色器编程是至关重要的一部分，它可以帮助我们实现各种视觉效果和图形渲染。本章将介绍着色器编程的概念、作用以及计算机图形学中常见的着色器类型。

## 1.1 着色器编程的概念和作用

着色器是一种在图形渲染过程中对图元（如三角形、点、线等）进行着色的程序。着色器编程就是编写这些着色器程序的过程，通过对图元的着色来实现各种视觉效果，如光照、阴影、纹理等。着色器编程可以使计算机图形更加逼真、生动，提高图形渲染的效果和质量。

## 1.2 计算机图形学中的着色器类型介绍

在计算机图形学中，主要包含两种常见的着色器类型：顶点着色器（Vertex Shader）和像素着色器（Pixel Shader）。它们分别负责处理顶点数据和像素数据，协作完成图形渲染的过程。

- 顶点着色器：顶点着色器主要用于处理输入的顶点信息，如位置、颜色、法向量等，进行坐标变换、光照计算、投影变换等操作。顶点着色器可以理解为是对顶点的加工处理单元。

- 像素着色器：像素着色器主要用于处理图元的每个像素点的颜色值，通过对颜色进行计算和处理，来实现光照、纹理、阴影等效果。像素着色器相当于是对每个像素点的着色处理单元。

通过合理地编写顶点着色器和像素着色器，我们可以控制和定制图形的外观和渲染效果，使其更符合我们的需求和设计目的。着色器编程的灵活性和强大性，使得计算机图形学领域拥有更加丰富多彩的发展前景和应用场景。

# 2. 顶点着色器入门

着色器编程是计算机图形学中不可或缺的一部分，它通过对图形的各个部分进行细致的渲染和处理，使得最终的图像更加逼真和具有交互性。顶点着色器（Vertex Shader）作为着色器编程中的重要组成部分，负责处理顶点数据，控制顶点的位置、法向量等信息，是实现图形变换和表现的核心之一。

### 2.1 顶点着色器的定义和功能

顶点着色器是一种用来处理图形中顶点数据的程序，主要作用是对输入的顶点信息进行处理和变换，例如旋转、缩放、平移等操作，以及计算顶点的光照效果和阴影效果等。通过顶点着色器的计算，最终将顶点转换为屏幕上的像素点，完成整个图形渲染的过程。

### 2.2 顶点着色器的基本语法和变量

顶点着色器通常由一系列的指令和变量组成，其中常见的变量包括：
- `uniform`：表示全局变量，对于所有顶点都是相同的。
- `attribute`：表示顶点属性变量，如位置、颜色等。
- `varying`：表示顶点间插值变量。

以下是一个简单的顶点着色器示例（使用GLSL语言编写）：

attribute vec4 position;
attribute vec3 normal;
varying vec3 fragNormal;

void main() {
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * position;
    fragNormal = normal;
}

### 2.3 顶点着色器的应用实例与效果展示

下面是一个简单的顶点着色器应用实例，实现一个简单的顶点位移效果。在这个例子中，顶点沿着Y轴进行移动：

attribute vec4 position;

void main() {
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * (position + vec4(0.0, sin(position.x), 0.0, 0.0));
}

通过顶点着色器的处理，可以看到图形在Y轴上发生了变化，从而实现了基本的位移效果。顶点着色器的灵活运用可以让图形呈现出更加生动和立体的效果，为计算机图形学的发展提供了重要支持。

# 3. 像素着色器入门

在计算机图形学中，像素着色器（Pixel Shader）是一种用来处理图形中每个像素的着色器，它主要负责计算像素的颜色值、深度值和透明度等属性。像素着色器通常位于图形渲染管线的最后阶段，用于最终渲染图像并输出到屏幕上。

#### 3.1 像素着色器的定义和作用

像素着色器是一种针对每个像素执行的计算程序，其主要作用是根据输入的纹理、顶点信息和参数计算出最终像素的颜色值。在图形