webgl 系列 —— 渐变三角形

周挺

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webgl 系列

渐变三角形

本文通过一个渐变三角形的示例逐步分析：varying变量、合并缓冲区、图形装配、光栅化、varying 内插

绘制三个点v1

需求：绘制三个相同颜色的点，效果如下：

通过三角形的学习，这个需求非常容易实现。代码如下：

1. const VSHADER_SOURCE = `
2. attribute vec4 a_Position;
3. void main() {
4.   gl_Position = a_Position;
5.   gl_PointSize = 10.0;               
6. }
7. `
9. const FSHADER_SOURCE = `
10. void main() {
11.   gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
12. }
13. `
15. function main() {
16.     const canvas = document.getElementById('webgl');
17.     const gl = canvas.getContext("webgl");
18.     if (!gl) {
19.         console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
20.         return;
21.     }
23.     if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
24.         console.log('Failed to intialize shaders.');
25.         return;
26.     }
28.     gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
29.     gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
31.     const vertices = {
32.         data: new Float32Array([
33.             0.0, 0.5,
34.             -0.5, -0.5,
35.             0.5, -0.5
36.         ]),
37.         vertexNumber: 3,
38.         count: 2,
39.     }
41.     initVertexBuffers(gl, vertices)
43.     gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber);
44. }
46. function initVertexBuffers(gl, {data, count}) {
47.     const vertexBuffer = gl.createBuffer();
48.     if (!vertexBuffer) {
49.         console.log('创建缓冲区对象失败');
50.         return -1;
51.     }
53.     gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
55.     gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);
57.     const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
58.     if (a_Position < 0) {
59.         console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
60.         return -1;
61.     }
63.     gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, 0, 0);
65.     gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
66. }

复制代码

绘制三个点v2

需求

需求：绘制三个不同颜色的点（基于版本1），效果如下：

Tip: 绘制三个点不同颜色的点其实也就完成了渐变三角形的绘制。这里调用了两次 drawArrays()，也就是绘制了两个图元，一系列点、三角形。
核心代码

相对版本1，变化的代码如下：

1. const VSHADER_SOURCE = `
2. attribute vec4 a_Position;
3. +attribute vec4 a_Color;
4. +varying vec4 v_Color;
5. void main() {
6.    gl_Position = a_Position;
7. -  gl_PointSize = 10.0;
8. +  gl_PointSize = 10.0;
9. +  v_Color = a_Color;
10. }
11. `
13. const FSHADER_SOURCE = `
14. +precision mediump float;
15. +varying vec4 v_Color;
16. void main() {
17. -  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
18. +  gl_FragColor = v_Color;
19. }
20. `
22. function main() {
23.      const vertices = {
24.          data: new Float32Array([
25. -            0.0, 0.5,
26. -            -0.5, -0.5,
27. -            0.5, -0.5
28. +            0.0,   0.5, 1.0, 0.0, 0.0,
29. +            -0.5, -0.5, 0.0, 1.0, 0.0,
30. +            0.5,  -0.5, 0.0, 0.0, 1.0,
31.          ]),
32.          vertexNumber: 3,
33.          count: 2,
34.      initVertexBuffers(gl, vertices)
36.      gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber);
37. +    gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_FAN, 0, vertices.vertexNumber);
38. }
40. function initVertexBuffers(gl, {data, count}) {
41.      const vertexBuffer = gl.createBuffer();
43. -    gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, 0, 0);
45. +    const FSIZE = data.BYTES_PER_ELEMENT;
46. +    gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, FSIZE * 5, 0);
47.      gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
48. +    const a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
49. +    if (a_Color < 0) {
50. +        console.log('Failed to get the storage location of a_Color');
51. +        return -1;
52. +    }
53. +    gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 5, FSIZE * 2);
54. +    gl.enableVertexAttribArray(a_Color);
55. }

复制代码

完整代码

1. const VSHADER_SOURCE = `
2. attribute vec4 a_Position;
3. attribute vec4 a_Color;
4. varying vec4 v_Color;
5. void main() {
6.   gl_Position = a_Position;
7.   gl_PointSize = 10.0;  
8.   v_Color = a_Color;            
9. }
10. `
12. const FSHADER_SOURCE = `
13. precision mediump float;
14. varying vec4 v_Color;
15. void main() {
16.   gl_FragColor = v_Color;
17. }
18. `
20. function main() {
21.     const canvas = document.getElementById('webgl');
22.     const gl = canvas.getContext("webgl");
23.     if (!gl) {
24.         console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
25.         return;
26.     }
28.     if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
29.         console.log('Failed to intialize shaders.');
30.         return;
31.     }
33.     gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
34.     gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
36.     const vertices = {
37.         data: new Float32Array([
38.             0.0,   0.5, 1.0, 0.0, 0.0,
39.             -0.5, -0.5, 0.0, 1.0, 0.0,
40.             0.5,  -0.5, 0.0, 0.0, 1.0,
41.         ]),
42.         vertexNumber: 3,
43.         count: 2,
44.     }
46.     initVertexBuffers(gl, vertices)
48.     gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber);
49.     gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_FAN, 0, vertices.vertexNumber);
50. }
52. function initVertexBuffers(gl, { data, count }) {
53.     const vertexBuffer = gl.createBuffer();
54.     if (!vertexBuffer) {
55.         console.log('创建缓冲区对象失败');
56.         return -1;
57.     }
59.     gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
61.     gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);
63.     const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
64.     if (a_Position < 0) {
65.         console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
66.         return -1;
67.     }
69.     const FSIZE = data.BYTES_PER_ELEMENT;
70.     gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, FSIZE * 5, 0);
71.     gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
72.     const a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
73.     if (a_Color < 0) {
74.         console.log('Failed to get the storage location of a_Color');
75.         return -1;
76.     }
77.     gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 5, FSIZE * 2);
78.     gl.enableVertexAttribArray(a_Color);
79. }

复制代码

改变颜色(varying)

前面我们说过着色器语言（GLSL ES）有三种类型的“变量”，我们已经使用了两种：

• attribute - 传输的是那些与顶点相关的数据。只有顶点着色器才能使用。例如顶点的位置、大小、颜色
  
• uniform - 传输的是那些对于所有顶点都相同的数据。例如变化矩阵
  

现在我们可以将颜色从 js 传入 attribute。但真正影响颜色绘制的是片元着色器的 gl_FragColor，目前我们是静态设置。就像这样：

1. const FSHADER_SOURCE = `
2.   void main() {
3.     gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
4.   }
5. `

复制代码

如何将顶点着色器中的数据传入片元着色器？

我们曾经通过 uniform 给片元着色器传递颜色。就像这样：

1. const FSHADER_SOURCE = `
2. uniform vec4 u_FragColor;
3. void main() {
4.   gl_FragColor = u_FragColor;
5. }
6. `

复制代码

但是 uniform 是相同的的变量，没法为每个顶点准备一个值。为了让每个点的颜色不同，需要使用varying（不同的）变量。
使用 varying 给片元着色器传递值（颜色）。就像这样：

1. const VSHADER_SOURCE = `
2. // 定义一个 attribute 变量，用于接收 js 传入的颜色
3. attribute vec4 a_Color;
4. // 定义 varying 变量。用于传递给片元着色器
5. varying vec4 v_Color;
6. void main() {
7.   gl_Position = a_Position;
8.   gl_PointSize = 10.0;  
9.   // 给 varying 变量赋值
10.   v_Color = a_Color;            
11. }
12. `
14. const FSHADER_SOURCE = `
15. precision mediump float;
16. // 声明一个与顶点着色器中相同的 varying 变量名，用于接收颜色
17. varying vec4 v_Color;
18. void main() {
19.   gl_FragColor = v_Color;
20. }
21. `

复制代码

代码解析：

• 通过在顶点着色器中声明一个 attribute 变量用于接收 js 传入的颜色
  
• 在顶点着色器中声明一个 varying 变量，用于接收 attribute 中的颜色，并将颜色传给片元着色器
  
• 片元着色器声明一个与顶点着色器中相同的 varying 变量名，接收颜色
  

Tip：顶点着色器中的 varying 变量 v_Color 与 片元着色器中的 varying 变量 v_Color 不同。中间涉及 varying 内插，下文会介绍。
合并缓冲区

渐变三角形将顶点和每个顶点的颜色写在一起，数据结构如下：

1.          data: new Float32Array([
2. -            0.0, 0.5,
3. -            -0.5, -0.5,
4. -            0.5, -0.5
5. +            0.0,   0.5, 1.0, 0.0, 0.0,
6. +            -0.5, -0.5, 0.0, 1.0, 0.0,
7. +            0.5,  -0.5, 0.0, 0.0, 1.0,
8.          ]),

复制代码

在渐变三角形示例中我们只用了一个缓冲区对象（const vertexBuffer = gl.createBuffer();），当然也可以使用两个缓冲区对象来实现相同的效果。核心代码如下：

1. // 声明第二个缓冲区对象：颜色缓冲区
2. const vertexColorBuffer = gl.createBuffer();
3. if (!vertexColorBuffer) {
4.     console.log('创建缓冲区对象失败');
5.     return -1;
6. }
8. gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorBuffer);
9. // 颜色数据抽离出来
10. const colors = new Float32Array([
11.     1.0, 0.0, 0.0,
12.     0.0, 1.0, 0.0,
13.     0.0, 0.0, 1.0,
14. ]);
15. gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, colors, gl.STATIC_DRAW);
16. const a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
17. if (a_Color < 0) {
18.     console.log('Failed to get the storage location of a_Color');
19.     return -1;
20. }
21. gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
22. gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

复制代码

将多个缓冲区合并，代码更简洁。思路：

• 首先将顶点位置和颜色写在一个数组中
  
• 然后通过 vertexAttribPointer() 来读取不同的信息（顶点位置、颜色）。
  

请看代码：

1. const vertices = {
2.     // 顶点位置和颜色写在一起
3.     data: new Float32Array([
4.         0.0,   0.5, 1.0, 0.0, 0.0,
5.         -0.5, -0.5, 0.0, 1.0, 0.0,
6.         0.5,  -0.5, 0.0, 0.0, 1.0,
7.     ]),
8.     vertexNumber: 3,
9.     count: 2,
10. }
11. // 每个元素所占用的字节数
12. const FSIZE = data.BYTES_PER_ELEMENT;
13. // FSIZE * 5 - 指定每个点的字节数
14. // 0 - 偏移量
15. gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, FSIZE * 5, 0);
16. /*
17. 提取颜色：
18. 3 - 分量数
19. FSIZE * 2 - 偏移量，从第三个开始
20. */
21. gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 5, FSIZE * 2);

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例如提取颜色：每个点总共字节数是 FSIZE * 5，颜色占3个分量，从第三（FSIZE * 2）个数开始读取 3 个分量。
为什么是渐变

我们定义了三个不同颜色的点，绘制出来的三角形为什么却是渐变色彩？

要回答这个问题，需要说一下整个绘制过程。
请看下图：

• 首先确定顶点坐标，我们传了三个顶点
  
• 接着将孤立的顶点坐标装配成几何图形。几何图形的类别由 drawArrays() 第一个参数决定
  
• 将装配好的几何图形转为片元（简单认为是像素，这里为了示意，只显示了10个片元），这个过程称为光栅化。
  

图形装配和光栅化过程如下图所示：

一旦光栅化结束，程序就开始逐片元调用片元着色器。这里调用了10次，每调用一次就处理一个片元。对于每个片元，片元着色器计算出该片元的颜色，并写入颜色缓冲区，当最后一个片元被处理完成，浏览器就会显示最终结果。就像这样：

渐变其实是由 varying 变量的内插导致的。比如绘制一条线，一端是红色，一端是蓝色，我们在顶点着色器向 varying 变量 v_Color 赋上两个颜色，webgl 会计算出线段上所有点（片元）的颜色，并赋值给片元着色器中的 varying 变量 v_Color。就像这样：

顶点着色器中的 v_Color 和片元着色器中的 v_Color 不是一回事。示意如下：

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来源:https://www.cnblogs.com/pengjiali/p/17216109.html
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