WebGL入门与进阶1
gyzs001
6年前
<p>改革开发40年以来，世界日新月异，无论从生活到精神上都有了颠覆性的变化，曾经教授还是教书的，砖家还叫专家，太阳还不叫日，菊花还是一种花，老王还没那么多，Web还只需要做IE，XHR还没出生的时候，怎么能想到现在浏览器会提供如此丰富多彩的多媒体生活，无论是音频、视频、以及各种漂亮的页面都在让用户更好的拥抱着互联网，当二维页面无法满足用户之后，会出现什么样的内容来继续推进Web进展呢，没错，就是3D，浏览器中看到的内容从平面变成3D的时候，oH，My God，提起来都让人兴奋。</p> <p>网站的未来是这样子的：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/7938fcb4119ed5fd2052d631b5398985.gif"></p> <p>的确，3D技术会让平淡的网页变的更酷，更让人眼花撩眼，这本后隐藏着什么呢？来来，咱们做下来泡一壶茶，边喝边聊，这个神奇的家伙叫做 <strong>WebGL</strong> 。</p> <p>谈起WebGL可能有一些人比较陌生，实际上WebGL是一种3D绘图标准，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。显然，WebGL技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面，甚至可以用来设计3D网页游戏等等。</p> <p>此链接可以查看你的游览器是否支持WebGL以及支持的版本[1]。</p> <p>看WebGL的背景实际上是JavaScript操作一些OpenGL接口，也就意味着，可能会编写一部分GLSL ES 2.0的代码，没错，你猜对了，WebGL只是绑定了一层，内部的一些核心内容，如着色器，材质，灯光等都是需要借助GLSL ES语法来操作的.</p> <p>基于WebGL周边也衍生了众多的第三方库，如开发应用类的Three.js，开发游戏类的Egert.js等，都大大的降低了学习WebGL的成本，但是本着有问题解决问题，没问题制造问题在解决问题的程序猿态度，还是觉得应该稍微了解一下WebGL一些基本的概念，以便能更好的去理解不同框架带来的便捷以及优势。</p> <p>接下来先简单介绍一下使用到的知识要点。</p> <h2>创建webGL对象</h2> <p>不同浏览器生命WebGL对象方式有所区别，虽然大部分浏览器都支持experimental-webgl，而且以后会变成webgl，所以创建时做一下兼容处理</p> <pre> <code class="language-javascript">var canvas = document.getElementById("glcanvas"); gl = canvas.getContext("webgl") || canvas.getContext("experimental-webgl"); </code></pre> <h2>着色器</h2> <p>WebGL依赖一种新的称为着色器（shader）的绘图机制。着色器提供了灵活且强大的绘制二维或三维图形的方法，所有WebGL必须使用它。着色器不仅强大，而且更复杂，仅仅通过一条简单的绘图指令是不能操作它的。</p> <p>WebGL需要两种着色器</p> <ul> <li>顶点着色器（Vertex shader）：顶点着色器是用来描述顶点特性（如位置、颜色等）的程序。 <strong>顶点(Vertex)</strong> 是指二维或三维空间的一个点，比如二维或三维空间线与线之间的交叉点或者端点。</li> <li>片元着色器（Fragment shader）：进行逐片元处理过程（如光照等）的程序。 <strong>片元(fragment)</strong> 是一个WebGL的术语，你可以将其理解成像素。</li> </ul> <p>着色器语言使用的是GLSL ES语言，所以在javascript需要将之存放在字符串中，等待调用编译</p> <p>创建顶点着色器：</p> <pre> <code class="language-javascript">var VSHADER_SOURCE = 'void main() {\n' + ' gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);\n' + ' gl_PointSize = 10.0;\n' + '}\n'; </code></pre> <p>创建片元着色器：</p> <pre> <code class="language-javascript">var FSHADER_SOURCE = 'void main() {\n' + ' gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);\n' + '}\n'; </code></pre> <p>浏览器的整个过程如下：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/8e9b1befcdfd0b827203ed3536deca7d.jpg"></p> <p>着色器中包含几个内置变量：gl_Position、gl_PointSize、gl_FragColor。</p> <p>着色器语言中涉及到vec4的数据类型，此数据类型是一个思维浮点数组，所以其值不可以是整形如(1,1,1,1)， <strong>正确应为：(1.0,1.0,1.0,1.0)</strong></p> <ul> <li><strong>gl_Position</strong> : 为一种vec4类型的变量，且必须被赋值。四维坐标矢量，我们称之为 <strong>齐次坐标</strong> ，即(x,y,z,w)等价于三维左边(x/w,y/w,z/w)，w相当于深度，没有特殊要求设置为1.0即可。</li> <li><strong>gl_PointSize</strong> ：表示顶点的尺寸，也是浮点数，为非必填项，如果不填则默认显示为1.0。</li> <li><strong>gl_FragColor</strong> ：该变量为片元着色器唯一的内置变量，表示其颜色，也是一个vec4类型变量，分别代表（R,G,B,A），不过颜色范围是从 <strong>0.0-1.0</strong> 对应Javascript中的 <strong>#00-#FF</strong> 。</li> </ul> <p>有了着色器我们就可以着手去绘制图像了，既然绘制3D图形，必然会有对应的三维坐标系，WebGL采用右手坐标系，如图所示：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/5aed1dbe0378a746c0084a9a20cab33e.jpg"></p> <h2>使用着色器</h2> <h3>让我们来看看如何把着色器代码编译并且使用起来</h3> <p>着色器代码需要载入到一个程序中，webgl使用此程序才能调用着色器。</p> <pre> <code class="language-javascript">var program = gl.createProgram(); // 创建顶点着色器 var vShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER); // 创建片元着色器 var fShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER); // shader容器与着色器绑定 gl.shaderSource(vShader, VSHADER_SOURCE); gl.shaderSource(fShader, FSHADER_SOURCE); // 将GLSE语言编译成浏览器可用代码 gl.compileShader(vShader); gl.compileShader(fShader); // 将着色器添加到程序上 gl.attachShader(program, vShader); gl.attachShader(program, fShader); // 链接程序，在链接操作执行以后，可以任意修改shader的源代码， 对shader重新编译不会影响整个程序，除非重新链接程序 gl.linkProgram(program); // 加载并使用链接好的程序 gl.useProgram(program); </code></pre> <h3>让我们尝试绘制一个点</h3> <pre> <code class="language-javascript">gl.clearColor(0.0,0.0,0.0,1.0); gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT); gl.drawArrays(gl.POINTS, 0 ,1); </code></pre> <p>我们来看一看最终结果，果然出来了一个点。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/3283c010a01ad79f01aa22451db75418.jpg"></p> <p>Why? 咋这么模糊？没错不是你的眼镜度数又高了，的确是模糊的。</p> <p>让我们来说说WebGL的坐标系。</p> <p>因为WebGL的坐标系与实际页面中的坐标系是不同的，如下图，普通canvas坐标系与正常的浏览器像素值相同，但WebGL中的坐标系是以整个WebGL中心点为（0.0，0.0），而且坐标的精确度为小数点后一位。坐标系对比如下图所示：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/941684a3eaec7004d9cf081517de949a.jpg"></p> <p>图上的实例是在使用源生WebGL时，并且未对视角有设置的情况下的默认值。默认视角的位置为(0.0, 0.0, 0.0)，并且lookAt(0.0, 0.0, -1.0)，也就是默认的视角是看向z轴负坐标的，如果点在z的正位置上，则是无法看到点的。</p> <p>绘制之后，发现这个依旧会绘制出超级模糊的图像，那是因为整个WebGL的尺寸是与canvas宽度与高度相关连的，并且canvas的宽度与高度如果用css来设置的话，会被默认成100×100，也就意味着，你绘制出来的图形是把100×100的图形拉伸到当前canvas的尺寸中。所以正确的设置canvas的方式应该如下：</p> <pre> <code class="language-javascript">//错误 <canvas id="glcanvas" style="width: 700px; height: 500px;"> //正确的方式 <canvas id="glcanvas" width="700" height="500"> </code></pre> <p>一个真实尺寸的清晰的点就出现了。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/2adaee533ddf9dddb87fc2913d793b4d.jpg"></p> <p>但我们辛苦绘制出来的点居然是正方形的，但WebGL是未提供绘制圆点的方法。</p> <p>我们首先来了解一下WebGL的渲染机制，顶点着色器的信息在传递给OpenGL底层绘制的时候，会先进行光栅化，也就是把点转化成对应的像素。然后在片元着色器会逐个点进行渲染，最终就达到了视觉看到的效果。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/21ae0696a143ed73dca9d23425a2be74.gif"></p> <p>点也是一样，会将点转变成多个像素点，所以要变成圆点，需要如下的方式：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/1793fd63621a6fb8b0f9767ce1b605d1.jpg"></p> <p>我们需要在片元着色器中来处理，将非原型区域的像素点，不用片元着色器来绘制，着色器需要判断距离圆点的位置超过0.5的话，就忽略此片元点，最终就会出现一个圆点的效果。</p> <pre> <code class="language-javascript">var FSHADER_SOURCE = ` #ifdef GL_ES precision mediump float; #endif void main() { float d = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5,0.5)); if(d < 0.5){ gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); }else{ discard;} }`; </code></pre> <p>如下图，我们绘制了一个圆点：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/795aa9e04a75d0045ce5184c30c5e248.png"></p> <p>本章我们已经了解了WebGL的一些背景，以及如何使用一些基本功能，那么如何把着色器动态化并且同时高性能的绘制大量点呢？下一章我们会解开WebGL缓存区的面纱。</p> <p> </p> <p>来自：https://jdc.jd.com/archives/212363</p> <p> </p>