WebGL学习(1) - 三角形

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还记得第一次看到canvas的粒子特效的时候，真的把我给惊艳到了，原来在浏览器也能做出这么棒的效果。结合《HTML5 Canvas核心技术》和网上的教程，经过半年断断续续的学习，对canvas的学习终于完结，对常用的canvas特效基本能做到信手拈来的。canvas特效请看：样例列表

众所周知，canvas是2D绘图技术，虽然可以通过坐标变换，位置计算也能做到3D的效果。但3D场景数据量毕竟比2D要高一个数量级的，纯粹用canvas的话，不管是性能和开发的复杂度会成为一个瓶颈。

这也是webGL出现的原因，解决web端3D渲染的场景。webGL会调用到GPU，处理大量重复的3D场景数据时，性能非常有优势。同时webGL是基于openGL ES 2.0， 因此它处理3D场景是非常成熟的。但为什么不直接学习three.js呢？因为本人对图形学感兴趣，只是希望做一些自己喜欢的效果的同时深入了解计算机图形学，没指望通过它做商业项目。

为了让学习更有动力和目的性，我们以实例为导向学习webGL，再从中展开到需要学习哪些知识点。这次我们来实现如下的动画，该教程参考了《WebGL编程指南》

实际效果请看：旋转的三角形

triangle

webGL渲染流程

webGL的渲染流程如下，其中第2，3，4步是重点，里面细节比较多。接着我们就按这个流程一步一步解决问题

  1. 获取webGL绘图上下文
  2. 初始化着色器
  3. 创建、绑定缓冲区对象
  4. 向顶点着色器和片元着色器写入数据
  5. 设置canvas背景色，清空canvas
  6. 绘制

webGL绘图上下文

webGL是canvas基础之上的3D绘图技术，只是上下文不同，get3DContext函数作用就是依次降级获取上下文。

var canvas = document.getElementById("canvas"),
    gl = get3DContext(canvas, true);
function get3DContext(canvas, opt) {
    var names = ["webgl", "experimental-webgl", "webkit-3d", "moz-webgl"];
    var context = null;
    for (var i = 0, len = names.length; i < len; i++) {
        try {
            context = canvas.getContext(names[i], opt);
        } catch (e) {}
        if (context) {
            break;
        }
    }
    return context;
}

着色器

着色器就是嵌入到js中的webGL代码，是由GLSL语言编写的，可以把着色器看成是js代码连接webGL的中间件。顶点着色器和片元着色器分别用于操作顶点和颜色光照，《WebGL编程指南》中是把着色器写成字符串，但从可维护性考虑，还是写在script标签中比较好。GLSL语言与C语言非常像，只要熟悉了GLSL特有的部分，其实还是比较简单的。

限定符
限定符只能用于全局变量，有3种类型：

  • attribute用于表示顶点信息
  • uniform用于表示除顶点外的其他信息，可以是除结构体和数组之外的任意类型
  • varying用于顶点着色器向片元着色器传输数据

GLSL特有的数据类型

  1. 向量：

    vec2, vec3, vec4 : 表示有2,3,4个浮点数的向量
    ivec2, ivec3, ivec4 : 表示有2,3,4个整形的向量
    bvec2, bvec3, bvec4 : 表示有2,3,4个布尔值的向量

  2. 矩阵：
    mat2, mat3, mat4 : 表示有2x2,3x3,4x4的浮点数的矩阵

顶点着色器

<script type="x-shader/x-vertex" id="vs">
attribute vec4 a_Position; //顶点，4个浮点的矢量，attribute变量传输与顶点有关的数据，表示逐顶点的信息
uniform mat4 u_xformMatrix; //变换矩阵，4*4浮点矩阵, uniform变量传输的是所有顶点都相同的数据
void main() { 
        gl_Position=u_xformMatrix*a_Position;
} 
</script>

片元着色器

<script type="x-shader/x-fragment" id="fs">
precision mediump float; // 精度限定
uniform vec4 u_FragColor;  // 颜色
void main() {
        gl_FragColor = u_FragColor;
}
</script>

接着就是创建着色器了，首先从页面script标签取出着色器代码，初始化着色器；接着创建程序对象，最后连接程序对象。中间的步骤其实非常的啰嗦，已经把这几个步骤封装，我们只需要调用createShaders就可以了。

/**
 * 根据script id创建着色器
 * @param  {Object} gl  context
 * @param  {String} vid script id
 * @param  {String} fid script id
 * @return {Boolen}
 */
function createShaders(gl, vid, fid) {
    var vshader, fshader, element, program;
    [vid, fid].forEach(function(id) {
        element = document.getElementById(id);
        if (element) {
            switch (element.type) {
                // 顶点着色器的时候
                case "x-shader/x-vertex":
                    vshader = element.text;
                    break;
                // 片段着色器的时候
                case "x-shader/x-fragment":
                    fshader = element.text;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    });
    if (!vshader) {
        console.log("VERTEX_SHADER String not exist");
        return false;
    }
    if (!fshader) {
        console.log("FRAGMENT_SHADER String not exist");
        return false;
    }
    program = createProgram(gl, vshader, fshader);
    if (!program) {
        console.log("Failed to create program");
        return false;
    }

    gl.useProgram(program);
    gl.program = program;
    return true;
}

/**
 * 创建连接程序对象
 * @param  {Object} gl       上下文
 * @param  {String} vshader  顶点着色器代码
 * @param  {String} fshader  片元着色器代码
 * @return {Object}
 */
function createProgram(gl, vshader, fshader) {
    // 创建着色器对象
    var vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vshader);
    var fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fshader);
    if (!vertexShader || !fragmentShader) {
        return null;
    }

    // 创建程序对象
    var program = gl.createProgram();
    if (!program) {
        return null;
    }

    // 连接着色器对象
    gl.attachShader(program, vertexShader);
    gl.attachShader(program, fragmentShader);

    // 连接程序对象
    gl.linkProgram(program);

    // 检查连接结果
    var linked = gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS);
    if (!linked) {
        var error = gl.getProgramInfoLog(program);
        console.log("Failed to link program: " + error);
        gl.deleteProgram(program);
        gl.deleteShader(fragmentShader);
        gl.deleteShader(vertexShader);
        return null;
    }
    return program;
}

/**
 * 加载着色器
 * @param  {Object} gl     上下文
 * @param  {Object} type   类型
 * @param  {String} source 代码字符串
 * @return {Object}
 */
function loadShader(gl, type, source) {
    // 创建着色器对象
    var shader = gl.createShader(type);
    if (shader == null) {
        console.log("unable to create shader");
        return null;
    }

    // 设置着色器程序
    gl.shaderSource(shader, source);

    // 编译着色器
    gl.compileShader(shader);

    // 检查编译结果
    var compiled = gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS);
    if (!compiled) {
        var error = gl.getShaderInfoLog(shader);
        console.log("Failed to compile shader: " + error);
        gl.deleteShader(shader);
        return null;
    }

    return shader;
}

缓冲区

创建好缓冲区对象后，需要把它分配给变量，然后使它生效。注意顶点数组使用的是类型化数组Float32Array，这样更加高效。vertexAttribPointer方法这里指定了每个顶点分量的个数为2，因为我们目前只定义x,y坐标，z坐标使用系统默认。

/**
 * 创建缓冲区
 * @param  {Array} data
 * @param  {Object} bufferType
 * @return {Object}
 */
function createBuffer(data, bufferType) {
    // 生成缓存对象
    var buffer = gl.createBuffer();
    if (!buffer) {
        console.log("Failed to create the buffer object");
        return null;
    }
    // 绑定缓存(gl.ARRAY_BUFFER<顶点>||gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER<顶点索引>)
    gl.bindBuffer(bufferType || gl.ARRAY_BUFFER, buffer);

    // 向缓存中写入数据
    gl.bufferData(bufferType || gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

    // 将绑定的缓存设为无效
    // gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);

    // 返回生成的buffer
    return buffer;
}

// 创建缓冲区并传人顶点
var vertices = new Float32Array([-0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5]);
if (!createBuffer(vertices)) return;

// 分配缓冲区对象给a_Position变量
// (地址,每个顶点分量的个数<1-4>,数据类型<整形，符点等>,是否归一化,指定相邻两个顶点间字节数<默认0>,指定缓冲区对象偏移量<默认0>)
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

// 启动
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

写入数据

首先要获取变量的地址，然后再给变量赋值，感觉挺麻烦的。attribute标记的变量使用getAttribLocation获取，同理uniform标记的变量使用getUniformLocation获取。

我们的动画要使图形绕坐标原点旋转，那么这就需要用到矩阵的变换，矩阵相关的知识就不详细说明了。要注意webGL使用的是列主序的矩阵，计算好变换矩阵后，把值赋予变量就ok。

// 获取 u_FragColor变量的存储地址并赋值
var u_FragColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_FragColor');
if (!u_FragColor) return;
//颜色模式为rgba，值范围0～1
gl.uniform4f(u_FragColor, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0);

// 绕z轴旋转
var deg=Math.PI/180*(angle++),
    cos=Math.cos(deg),
    sin=Math.sin(deg);

//  webgl中是按列主序 旋转加位移
var xformMatrix=new Float32Array([
    cos,sin,0.0,0.0,
    -sin,cos,0.0,0.0,
    0.0,0.0,1.0,0.0,
    0.3,0.0,0.0,1.0
]);

// v表示可以向着色器传输多个数值(地址变量,webgl中必须false,矩阵)
gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix,false,xformMatrix);

背景操作

每次执行动画前进行清屏，和canvas中的设置fillStyle，执行clearRect，效果一样。

// 设置清屏颜色
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 清屏
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

绘制

最后渲染图形，注意第一个参数，指定不同的值，它就渲染为不同的图形，大家可以用不同的值试试效果。

  • POINTS 点
  • LINES 线段
  • LINE_STRIP 线条
  • LINE_LOOP 回路
  • TRIANGLES 三角形
  • TRIANGLE_STRIP 三角带
  • TRIANGLE_FAN 三角扇
// (基本图形，第几个顶点，执行几次)，修改基本图形项可以生成点，线，三角形，矩形，扇形等
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

最后主体代码如下：

var canvas = document.getElementById("canvas"),
    gl = get3DContext(canvas, true);

function main() {
    if (!gl) {
        console.log("Failed to get the rendering context for WebGL");
        return;
    }

    if (!createShaders(gl, "fs", "vs")) {
        console.log("Failed to intialize shaders.");
        return;
    }

    // 创建缓冲区并传人顶点
    var vertices = new Float32Array([ -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5 ]);
    if (!createBuffer(vertices)) {
        console.log("Failed to create the buffer object");
        return;
    }

    // 获取顶点位置
    var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, "a_Position");
    if (a_Position < 0) {
        console.log("Failed to get the storage location of a_Position");
        return;
    }

    // 分配缓冲区对象给a_Position变量
    gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
    gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

    // 获取 u_FragColor变量的存储地址并赋值
    var u_FragColor = gl.getUniformLocation(gl.program, "u_FragColor");
    if (!u_FragColor) {
        console.log("Failed to get the storage location of u_FragColor");
        return;
    }
    gl.uniform4f(u_FragColor, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0);

    // 获取矩阵变量
    var u_xformMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, "u_xformMatrix");
    if (!u_xformMatrix) {
        console.log("Failed to get the storage location of u_xformMatrix");
        return;
    }

    var xformMatrix,
        angle = 0;
    // 设置清屏颜色
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

    // 执行动画
    (function animate() {
        var deg = (Math.PI / 180) * angle++,
            cos = Math.cos(deg),
            sin = Math.sin(deg);

        // 旋转加位移
        xformMatrix = new Float32Array([ 
            cos, sin, 0.0, 0.0,
            -sin, cos, 0.0, 0.0,
            0.0, 0.0, 1.0, 0.0,
            0.3, 0.0, 0.0, 1.0
        ]);

        // v表示可以向着色器传输多个数值(地址变量,webgl中必须false,矩阵)
        gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix, false, xformMatrix);

        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

        // (基本图形，第几个顶点，执行几次)，修改基本图形项可以生成点，线，三角形，矩形，扇形等
        gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

        requestAnimationFrame(animate);
    })();
}

main();

总结

相比canvas，webGL的api要原始得多，涉及到很多底层的openGL细节，但经过封装后，我们可以把那部分细节看成一个黑箱。大部分的操作都是基于矩阵变换，尽管有很多方便的第三方矩阵库，但有牢固的线性代数基础还是大有裨益的，GLSL编程语言也是一样需要熟练掌握。

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