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webgl 系列 —— 初识 WebGL

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初识 WebGL

什么是 WebGL

webgl 在支持 canvas 的浏览器中进行 2d 或 3d 渲染。
webgl 程序除了有 Html、javascript，还需要加入着色器语言（GLSL ES）。
WebGL 使得网页在支持 HTML  标签的浏览器中，不需要使用任何插件，便可以使用基于 OpenGL ES 2.0 的 API 在 canvas 中进行 3D 渲染 —— MDN WebGL 教程
通过 caniuse 得知 webgl（98.15%） 和 webgl 2.0（94.12%） 的支持情况。请看下图：

Tip：个人计算机上，绘制三维最广泛使用的技术有 Direct3D 和 OpenGL，前者是微软的，后者是开源免费的。OpenGL 有个特殊版本 OpenGL ES 专门用于嵌入式计算机、手机，而 WebGL 就是从 OpenGL ES 派生出来的。下图是 OpenGL、OpenGL ES、WebGL 三者之间的关系。其中 webgl 2.0 基于 OpenGL ES 3.0 未画出来：

canvas

Canvas_API 提供了一个通过JavaScript 和 HTML的 元素来绘制图形的方式。它可以用于动画、游戏画面、数据可视化、图片编辑以及实时视频处理等方面。
Canvas API 主要聚焦于 2D 图形。而同样使用元素的 WebGL API 则用于绘制硬件加速的 2D 和 3D 图形。
示例：
  1. // canvas.html
  2. <body>
  3.     <canvas id="canvas" width="300" height="300">
  4.    <body onload="main()">
  5.     <canvas id="webgl" width="300" height="300"> 抱歉，您的浏览器不支持 canvas 元素</canvas>
  6. </body>
  7.         （这些内容将会在不支持<canvas>元素的浏览器或是禁用了 JavaScript 的浏览器内渲染并展现）
  8.         </canvas>
  9.         
  10. </body>
复制代码
效果如下：

Tip：不管绘制二维还是三维都是这三步：

  • 获取 canvas
  • 请求绘图上下文
  • 调用绘图上下文中的绘图函数
第一个webgl示例

需求：清空绘图区。也就是使用背景色清空 canvas 的绘图区
实现如下：
  1. // webgl01.html
  2. <body>
  3.     <canvas id="canvas" width="300" height="300">
  4.    <body onload="main()">
  5.     <canvas id="webgl" width="300" height="300"> 抱歉，您的浏览器不支持 canvas 元素</canvas>
  6. </body>
  7.         （这些内容将会在不支持<canvas>元素的浏览器或是禁用了 JavaScript 的浏览器内渲染并展现）
  8.         </canvas>
  9.         
  10. </body>
复制代码
效果如下：

仍旧是3步：

  • 获取 canvas
  • 请求绘图上下文
  • 调用绘图上下文中的绘图函数
在 canvas 绘制矩形之前需要指定颜色（ctx.fillStyle = 'green';），在 webgl 中类似，清空绘图区之前也得指定背景色，一旦指定背景色，背景色就会在 webgl 系统中存留，将来还需要使用同样的颜色清空绘图区，，就不需要再次指定背景色。
clearColor 和 clear语法如下：
  1. // WebGLRenderingContext.clearColor() 方法用于设置清空颜色缓冲时的颜色值。指定调用 clear() 方法时使用的颜色值
  2. void gl.clearColor(red, green, blue, alpha)
  4. // WebGLRenderingContext.clear() 方法使用预设值来清空缓冲。
  5. void gl.clear(mask);
  6.     mask
  7.         gl.COLOR_BUFFER_BIT    // 颜色缓冲区
  8.         gl.DEPTH_BUFFER_BIT    // 深度缓冲区 - 三维世界中使用
  9.         gl.STENCIL_BUFFER_BIT  // 模板缓冲区 - 很少使用
复制代码
如果没有指定背景色，默认值如下：

  • 颜色缓冲区 - (0.0, 0.0, 0.0, 0.0)
  • 深度缓冲区 - 1.0
绘制一个点

需求

需求：在 canvas 中心画一个 10px 红色的点。
效果如下：

思路

用 canvas 绘制一个矩形很简单，先指定颜色，在绘制矩形。就像这样：
  1. // canvas绘制矩形
  2. ctx.fillStyle = 'green';
  3. ctx.fillRect(10, 10, 100, 100);
复制代码
但 webgl 需要使用着色器，着色器提供了灵活且强大的绘制二维或三维的方法，也更加复杂。
我们先看代码，有一个具体的感受后，在分析其中细节。
代码

共3个文件。重点关注 point01.js 即可。

  • 新建入口文件 point01.html：
  1. <body onload="main()">
  2.     <canvas id="webgl" width="300" height="300"> 抱歉，您的浏览器不支持 canvas 元素</canvas>
  3. </body>
复制代码
Tip：以上这段代码在 chrome 中运行通过，浏览器会自动补全格式，例如把 script 标签放入 head 中。

  • 新建 point01.js：
  1. // point01.js
  2. // 顶点着色器
  3. const VSHADER_SOURCE = `
  4. void main() {
  5.   gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  6.   gl_PointSize = 10.0;               
  7. }
  8. `
  10. // 片元着色器
  11. const FSHADER_SOURCE = `
  12.   void main() {
  13.     gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  14.   }
  15. `
  17. function main() {
  18.   const canvas = document.getElementById('webgl');
  20.   const gl = canvas.getContext("webgl");
  22.   // 初始化着色器
  23.   if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
  24.     console.log('Failed to intialize shaders.');
  25.     return;
  26.   }
  28.   gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  29.   gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  31.   gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
  32. }
复制代码
文档加载后运行 main() 方法，相对第一个 webgl 示例，这里增加了初始化着色器。
Tip：现在只需要把初始化着色器的方法（initShaders() - 请看本篇 cuon-utils.js 章节）作为一个库中的辅助方法看待，后续文章将介绍其中原理。

  • 新建 cuon-utils.js（内容见本篇扩展），主要提供初始化着色器的方法
代码解析

总体流程

文档加载后执行 main() 方法，有如下5个阶段：

  • 获取canvas
  • 取得 webgl 上下文
  • 初始化着色器
  • 清除绘图区
  • 调用 drawArrays 绘图
下面我们主要讲一下第三步和最后一步。
齐次坐标

齐次坐标就是将一个原本是 n 维的向量用一个 n+1 维向量来表示。齐次坐标能提高处理三维数据的有效率，所以在三维系统中大量使用。齐次坐标(x, y, z, w) 等价于三维坐标 (x/w, y/w, z/w)
顶点着色器

顶点着色器(Vertex Shader) - 用来描述顶点特征的程序。例如这里的位置和大小。顶点指二维(x, y)或三维(x, y, z)空间中的一个点，例如端点或交点。
内置变量：

  • gl_Position - 用于描述顶点位置，必传，类型是 vec4（即4个float）
  • gl_PointSize - 用户描述顶点的尺寸（像素），如果不传，默认 1.0，类型是 float
关于位置，我们只有 (x, y, z) 三个变量，但 vec4 是 4 个，所以需要使用内置函数 vec4() 帮忙创建 vec4 类型的变量。
代码中 vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)，这里第四个分量是 1.0，使用的是齐次坐标。
Tip：先记着 (0.0, 0.0, 0.0) 就是绘图区的中心，本篇 坐标系统 中会详细讲解。
片元着色器

片元着色器(Fragment Shader) - 进行逐片元处理过程如光照的程序。片元是 webgl 的一个术语，暂时可以将其理解成像素。
内置变量：

  • gl_FragColor - 指定片元颜色（RGBA格式），类型是 vec4
初始化着色器

webgl 需要两种着色器：顶点着色器(Vertex Shader)、片元着色器(Fragment Shader)。
在三维场景中，仅仅用线条和颜色把图画出来不够，还需要考虑光照上去或者观察者的视角发生变化，对场景有什么影响。着色器可以灵活的完成这些工作。
初始化着色器之前，顶点着色器和片元着色器都是空白，把着色器程序作为字符串形式传给 initShaders（initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)）之后，webgl 系统中的着色器就建立好。
下图是执行 initShaders() 前后的情形：

Tip: 先执行顶点着色器，然后把 gl_Position 和 gl_PointSize 传给片元着色器。实际上片元着色器接收到的是经过栅格化处理后的片元（栅格化在画三角形时在讲解）。
绘图

建立着色器之后，首先清空绘图区域，然后使用 gl.drawArrays() 进行绘制。
gl.drawArrays(mode, first, count) 执行顶点着色器，按照 mode 指定的参数绘制图形。first 指定从哪个点开始绘制，count 指绘制需要几个点。
Tip：mode 类型有：

  • gl.POINTS: 绘制一系列点。
  • gl.LINE_STRIP: 绘制一个线条。即，绘制一系列线段，上一点连接下一点。
  • gl.LINE_LOOP: 绘制一个线圈。即，绘制一系列线段，上一点连接下一点，并且最后一点与第一个点相连。
  • gl.LINES: 绘制一系列单独线段。每两个点作为端点，线段之间不连接。
  • gl.TRIANGLE_STRIP：绘制一个三角带。
  • gl.TRIANGLE_FAN：绘制一个三角扇。
  • gl.TRIANGLES: 绘制一系列三角形。每三个点作为顶点。
例如我们这里是：gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1)，绘制图形（点），需要一个点，从第一个点开始绘制。后续画多个点时会对 first 和 count 有更清晰的理解。
代码注释
  1. // point01.js
  2. // 顶点着色器
  3. const VSHADER_SOURCE = `
  4. // 和 C 语言一样，必须包含一个 main() 函数，void 表示没有返回值
  5. // 注：不能给 main() 指定参数
  6. void main() {
  7.   // 顶点着色器内置变量: gl_Position 顶点位置、gl_PointSize 顶点尺寸
  8.   gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  9.   gl_PointSize = 10.0;               
  10. }
  11. `
  13. // 片元着色器
  14. const FSHADER_SOURCE = `
  15.   void main() {
  16.     // 片元着色器内置变量: gl_FragColor 指定片元颜色
  17.     gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  18.   }
  19. `
  21. function main() {
  22.   const canvas = document.getElementById('webgl');
  24.   const gl = canvas.getContext("webgl");
  26.   // 初始化着色器
  27.   if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
  28.     console.log('初始化着色器失败');
  29.     return;
  30.   }
  32.   // 清空绘图区
  33.   gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  34.   gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  36.   // 绘制图形（点），需要一个点，从第一个点开始绘制
  37.   gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
  38. }
复制代码
扩展

坐标系统

webgl 的坐标系(x, y, z)和 canvas 的坐标系(x, y)不同。
canvas 的原点(0, 0)在左上角。webgl 处理的是三维，所以使用三维坐标系统（笛卡尔坐标系），可用(x, y, z) 表示。也可认为是右手坐标系。请看下图：

webgl 坐标和 canvas 坐标对应关系如下（可对照上面中间那张图）：

cuon-utils.js
  1. // cuon-utils.js (c) 2012 kanda and matsuda
  2. /**
  3. * Create a program object and make current
  4. * @param gl GL context
  5. * @param vshader a vertex shader program (string)
  6. * @param fshader a fragment shader program (string)
  7. * @return true, if the program object was created and successfully made current
  8. */
  9. function initShaders(gl, vshader, fshader) {
  10.   var program = createProgram(gl, vshader, fshader);
  11.   if (!program) {
  12.     console.log('Failed to create program');
  13.     return false;
  14.   }
  16.   gl.useProgram(program);
  17.   gl.program = program;
  19.   return true;
  20. }
  22. /**
  23. * Create the linked program object
  24. * @param gl GL context
  25. * @param vshader a vertex shader program (string)
  26. * @param fshader a fragment shader program (string)
  27. * @return created program object, or null if the creation has failed
  28. */
  29. function createProgram(gl, vshader, fshader) {
  30.   // Create shader object
  31.   var vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vshader);
  32.   var fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fshader);
  33.   if (!vertexShader || !fragmentShader) {
  34.     return null;
  35.   }
  37.   // Create a program object
  38.   var program = gl.createProgram();
  39.   if (!program) {
  40.     return null;
  41.   }
  43.   // Attach the shader objects
  44.   gl.attachShader(program, vertexShader);
  45.   gl.attachShader(program, fragmentShader);
  47.   // Link the program object
  48.   gl.linkProgram(program);
  50.   // Check the result of linking
  51.   var linked = gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS);
  52.   if (!linked) {
  53.     var error = gl.getProgramInfoLog(program);
  54.     console.log('Failed to link program: ' + error);
  55.     gl.deleteProgram(program);
  56.     gl.deleteShader(fragmentShader);
  57.     gl.deleteShader(vertexShader);
  58.     return null;
  59.   }
  60.   return program;
  61. }
  63. /**
  64. * Create a shader object
  65. * @param gl GL context
  66. * @param type the type of the shader object to be created
  67. * @param source shader program (string)
  68. * @return created shader object, or null if the creation has failed.
  69. */
  70. function loadShader(gl, type, source) {
  71.   // Create shader object
  72.   var shader = gl.createShader(type);
  73.   if (shader == null) {
  74.     console.log('unable to create shader');
  75.     return null;
  76.   }
  78.   // Set the shader program
  79.   gl.shaderSource(shader, source);
  81.   // Compile the shader
  82.   gl.compileShader(shader);
  84.   // Check the result of compilation
  85.   var compiled = gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS);
  86.   if (!compiled) {
  87.     var error = gl.getShaderInfoLog(shader);
  88.     console.log('Failed to compile shader: ' + error);
  89.     gl.deleteShader(shader);
  90.     return null;
  91.   }
  93.   return shader;
  94. }
复制代码
来源:https://www.cnblogs.com/pengjiali/p/17156241.html
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发表于 2023-2-27 11:08:56

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