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着色器系统

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Godot 的着色器系统是一个用于创建、编译和执行着色器的框架，它控制着引擎中内容的渲染方式。它包括着色语言解析器、编译管线以及一个基于节点的视觉着色器编辑器，使开发者能够通过代码和可视化编程实现自定义渲染效果。

有关高级渲染系统的信息，请参阅渲染系统。

概述

Godot 的着色器系统由几个关键组件组成，它们协同工作来处理和执行着色器代码

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着色语言解析器

ShaderLanguage 类作为 Godot 的着色语言 (类似 GLSL) 的解析器和词法分析器。它将着色器源代码处理成一个结构化格式，然后供着色器编译器使用。

着色语言解析器处理：

  1. 词法分析 - 将着色器代码分解为诸如标识符、关键字和运算符之类的标记
  2. 解析 - 从标记构建抽象语法树 (AST)
  3. 类型检查 - 验证操作是否在兼容的类型上执行
  4. 语义验证 - 确保着色器遵循语言规则

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标记类型和数据类型

ShaderLanguage 类为解析和处理着色器代码定义了一套全面的标记类型和数据类型。

类别示例
基本类型void、bool、int、uint、float
向量类型vec2、vec3、vec4、ivec2、ivec3、ivec4、uvec2、uvec3、uvec4、bvec2、bvec3、bvec4
矩阵类型mat2、mat3、mat4
采样器类型sampler2D、sampler3D、samplerCube、sampler2DArray
运算符+, -, *, /, =, ==, !=, <, >, &&, `
流量控制if、else、for、while、do、switch、case、break、continue、return、discard
限定符uniform、varying、in、out、inout、const

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视觉着色器系统

Visual Shader 系统提供了一个基于节点的接口，用于创建着色器，而无需直接编写代码。它的设计目标是使着色器创建更容易，同时仍然允许实现复杂的着色器效果。

类层次结构

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视觉着色器编辑器

Visual Shader Editor 提供了一个图形化的节点界面，让用户通过该界面创建和编辑视觉着色器。它提供了一个画布用于连接节点和编辑属性。

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节点类型

视觉着色器节点根据其功能分为不同类型

类别描述示例
输入着色器的源值位置、UV、颜色、纹理
输出最终着色器输出顶点、片段、光照
常量固定值浮点数、整数、向量、颜色
运算符数学运算加法、乘法、除法、混合
函数实用函数菲涅尔、法线贴图、钳位
变换变换操作矩阵乘法、向量变换
纹理纹理操作纹理采样、纹理参数
变量用户定义变量变量、Uniforms
自定义用户定义节点自定义代码、自定义函数

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视觉到代码的转换

编译视觉着色器时，它会将节点图转换为可以由着色器编译器处理的着色器代码

代码生成过程

  1. 按依赖顺序遍历节点图
  2. 调用每个节点的 generate_code() 方法以获取其 GLSL 表示
  3. 解析节点之间的连接，将输出映射到输入
  4. 组装完整的着色器程序，包含正确的变量声明和赋值
  5. 将生成的代码传递给着色器编译器

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着色器编译

ShaderCompiler 类接收处理后的着色器代码，并将其编译成可以由 GPU 执行的特定于平台的着色器程序。

着色器编译的关键步骤包括：

  1. 预处理 - 处理 include、define 和条件编译
  2. 解析 - 将着色器代码转换为抽象语法树
  3. 特定后端处理 - 为目标渲染 API (OpenGL, Vulkan 等) 调整着色器
  4. 优化 - 提高着色器性能
  5. 代码生成 - 为 GPU 生成最终的着色器代码

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材质集成

材质通过将编译后的着色器应用于几何体，将着色器系统连接到渲染器。它们负责管理着色器参数和纹理绑定。

材质接口允许：

  1. 设置着色器参数 (uniforms)
  2. 绑定纹理和其他资源
  3. 配置渲染状态属性
  4. 启用/禁用着色器功能

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渲染集成

着色器系统与 2D (canvas) 和 3D (scene) 渲染系统集成，以提供可自定义的材质效果。

在 Canvas (2D) 渲染系统中

  • 着色器可以修改精灵、UI 元素和其他 2D 对象
  • 为常见的 2D 操作提供了特殊的优化

在 Scene (3D) 渲染系统中

  • 着色器定义 3D 模型的材质属性
  • 不同类型的着色器处理各种渲染阶段 (顶点、片段、光照)
  • PBR 材质等高级功能通过着色器实现

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着色器类型

Godot 着色器根据其在渲染管线中的用途进行分类

着色器类型描述用例
空间用于 3D 渲染模型、环境、空间效果
画布项用于 2D 渲染精灵、UI 元素、2D 效果
粒子用于粒子系统粒子行为和渲染
Sky (天空)用于天空渲染天空盒、大气
Fog (雾)用于体积雾大气效果

每种着色器类型都有特定的入口点和可用的内置变量，以适应其用途。

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内置着色器函数和变量

Godot 的着色器语言为常见的操作提供了多种内置函数和变量

类别示例
数学sin, cos, tan, pow, exp, log, sqrt
几何length, distance, normalize, reflect, dot, cross
纹理texture, textureLod, textureProj
导数dFdx, dFdy, fwidth
内置变量VERTEX, NORMAL, UV, COLOR, SCREEN_TEXTURE

这些函数和变量为创建复杂的着色器效果提供了基础，无需从头开始实现所有内容。

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性能考量

Godot 在着色器中应用了几项性能优化

  1. 着色器缓存 - 编译后的着色器会缓存起来，避免重复编译
  2. 统一缓冲区对象 (UBO) - 用于有效地将数据传递给着色器
  3. 特化常量 - 允许创建优化的着色器变体
  4. 着色器变体 - 不同功能集的着色器不同版本
  5. 条件编译 - 移除未使用的代码路径

这些优化有助于在各种硬件能力下保持良好的性能。

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可视化着色器编辑器界面

可视化着色器编辑器提供了一个基于节点的界面，用于创建和编辑可视化着色器

该编辑器通过以下方式增强了着色器创建工作流程：

  1. 提供节点连接和数据流的视觉反馈
  2. 提供着色器效果的实时预览
  3. 支持轻松访问节点属性和参数
  4. 支持通过拖放创建着色器图

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自定义着色器节点

VisualShaderNodeCustom 类允许开发者为可视化着色器编辑器创建自己的自定义着色器节点

可以通过以下方式创建自定义节点：

  1. 继承 VisualShaderNodeCustom 类
  2. 实现虚拟方法来定义节点行为
  3. 提供将插入着色器中的自定义 GLSL 代码
  4. 定义输入和输出端口，用于与其他节点进行连接

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总结

Godot 的着色器系统提供了一种灵活而强大的方式来创建自定义渲染效果。它既提供了文本着色器语言以供直接编码，也提供了基于节点的视觉系统以供更便捷地创建着色器。该系统与 Godot 的渲染管线集成，为 2D 和 3D 内容提供可自定义的材质，并支持各种渲染技术和视觉效果。

精心设计的着色器语言、高效的编译以及直观的可视化编辑器相结合，使得具有不同技术专长水平的用户都可以轻松进行着色器编程，同时仍然能够获得创建高级图形效果所需的强大功能。