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你距离 WebGL 只差一点!

你距离了解 WebGL 只差一点:

这次,我会通过绘制一个点,带领大家走进WebGL的世界!并且不会涉及 D3 / ThreeJS 等 WebGL 库,就用原生的WebGL API绘制一个点!

📒前言

首先,WebGL并不是一门语言,它是一个标准,它是在OpenGL ES的基础上所建立的一套适用于浏览器的图形学标准;而OpenGL ES则是OpenGL的一个特殊版本(套娃警告👀),ES版本被广泛的应用于手机、家用游戏机等设备。想了解更多关于WebGL标准内容的小伙伴可以进入Khronos Group的网站自行浏览。

WebGL的开发与我们普通的前端开发并没有什么太大差异,一个浏览器的网页一般是由:HTML、 JavaScript、渲染引擎等部分组成,如果我们要开发WebGL的话,还需要什么呢?让我们来思考一下,我们在高中学习几何的时候老师讲过“点动成线,线动成面,面动成体”,那我们就以最基础的为例,首先有什么属性么?点的位置、点的颜色、点的大小,我们如何定义一个的这些属性呢?这就要引入GLSL ES(OpenGL Shader Language ES)(后称着色器)了,着色器的写法与C语言语法有些相似,从名字也能看出WebGLOpenGL ES是有“血缘关系”的!其次,我们还需要的就是浏览器厂商基于WebGL标准提供的API

WebGL并不像OpenGL一样有繁琐的环境配置的流程,也没有对系统的要求,只要有一个支持WebGL的浏览器即可!

本次我们使用字符串的形式编写着色器,暂时不新建单独的着色器文件:)

🌏给这个“点”一点自由的空间

为了使用浏览器提供的WebGL接口,我们需要使用<canvas>来获取WebGL上下文:

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <title>Point</title>
</head>
<body onload="main()" style="padding: 0; margin: 0;">
  <canvas id="webgl" width="600" height="400">
    您使用的浏览器不支持 WebGL!
  </canvas>
  <script>
  	function main() {
      // get canvas element
  		const canvas = document.getElementById("webgl");
      const gl = canvas.getContext('webgl');
    }
  </script>
</body>
</html>
复制代码

gl就是我们所获取到的WebGL渲染的上下文🤩让我们给画布填充个背景色吧:

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
	<!-- ... -->
  <script>
  	function main() {
      // ...
      const gl = canvas.getContext('webgl');
      
      gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
      gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
    }
  </script>
	<!-- ... -->
</html>
复制代码

这样我们要绘制点的画布就拥有了浩瀚宇宙一般深邃的黑色:)喝点庆祝一下🍺

解释一下gl.clearColor方法是设置清除画布的背景色,形式是RGBAgl.clear则是调用清除画布的方法,可传递的参数gl.COLOR_BUFFER_BIT是个什么呢🧐其实该方法继承自OpenGLOpenGL是基于多缓冲区模型的,清空绘图区域实际上是在清空颜色缓冲区,传递参数gl.COLOR_BUFFER_BIT是在告诉WebGL清空颜色缓冲区;除此之外还有深度缓冲区以及模板缓冲区,可查看此了解

🐵让距离近一“点”

下面我们开始绘制🥳在前面我们分析道一个点有位置、颜色及大小三个属性,下面我们将编写着色器给深邃的画布增添一点色彩🌈

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
	<!-- ... -->
  <script>
  	function main() {
      // ...
      const VertexShader = `
        void main() {
          gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
          gl_PointSize = 10.0;
        }
      `;
      const FragmentShader = `
        void main() {
          gl_FragColor = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0);
        }
      `;
    }
  </script>
	<!-- ... -->
</html>
复制代码

上面我们定义了VertexShaderFragmentShader,在WebGL中有两种着色器分别是:顶点着色器和片元着色器:

  • 顶点着色器:用来描述顶点的特性的程序,比如位置、大小等。顶点是指二维或三维空间中的一个点,比如二维图形或三维图形的顶点或交点;
  • 片元着色器:也称像素着色器,进行逐片的处理过程比如光照。片元可以理解为像素。

同时,每个着色器都有一个main()方法,并且该方法不能指定参数,每行语句结束之后必须有分号!!! gl_Positiongl_PointSizegl_FragColor三个变量则是着色器内置的变量,其中gl_PointSize可以不赋值,默认值为1.0。各位注意到,上面赋值语句中我们给的值是0.0而不是0,这是因为这些内置变量是有其变量类型的:

变量名 类型 描述
gl_Position vec4 顶点位置
gl_PointSize float 点的大小
gl_FragColor vec4 片元颜色

问:明明一个点的坐标只有(x, y, z),为什么要传4个值呢?

答:这里使用的是齐次坐标的形式,了解齐次坐标可查看我上篇文章《客官,进来看看图形的几何变换?》

问:使用上面定义的顶点着色器和片元着色器分几步呢?

答:分三步!第一步,创建着色器;第二步,创建着色器程序;第三步,在WebGL上下文中使用着色器程序。

1️⃣创建着色器

为了方便使用我把创建着色器的步骤抽取了一个createShader()方法:

function createShader (gl, type, source) {
  const shader = gl.createShader(type);
  if (shader == null) {
    console.warn('无法创建着色器');
    return null;
  }

  gl.shaderSource(shader, source);
  gl.compileShader(shader);

  const compiled = gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS);
  if (!compiled) {
    console.log('编译着色器失败: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
    gl.deleteShader(shader);
    return null;
  }

  return shader;
}
复制代码

gl.shaderSource是将gl.createShader创建的着色器的source设置为我们定义的VertextShaderFragmentShader,剩下的就不解释了,函数名都很表意:)

2️⃣创建着色器程序

也为了更简洁,创建着色器程序的步骤也抽成了createProgram()方法:

function createProgram (gl, vshader, fshader) {
  const vertexShader = createShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vshader);
  const fragmentShader = createShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fshader);
  if (!vertexShader || !fragmentShader) {
    return null;
  }

  const program = gl.createProgram();
  if (!program) {
    return null;
  }

  gl.attachShader(program, vertexShader);
  gl.attachShader(program, fragmentShader);

  gl.linkProgram(program);

  const linked = gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS);
  if (!linked) {
    console.warn('Link 着色器程序失败: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
    gl.deleteProgram(program);
    gl.deleteShader(fragmentShader);
    gl.deleteShader(vertexShader);
    return null;
  }
  return program;
}
复制代码

gl.attachShader是将创建好的着色器attach到我们着色器程序上,然后调用gl.linkProgram方法将program整合起来。

3️⃣在上下文中使用着色器程序

function initShaders(gl, vshader, fshader) {
  const program = createProgram(gl, vshader, fshader);
  if (!program) {
    console.warn('创建着色器程序失败!');
    return false;
  }

  gl.useProgram(program);
  gl.program = program;

  return true;
}
复制代码

这里就很简单啦,就不做过多介绍了!然后在main()中调用此方法初始化着色器:

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
	<!-- ... -->
  <script>
  	function main() {
      const canvas = document.getElementById('webgl');
      const gl = canvas.getContext('webgl');

      if (!initShaders(gl, VertexShader, FragmentShader)) {
        return alert('初始化着色器失败');
      }

      gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
      gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
      gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
    }
    // createShader
    // createProgram
    // initShaders
  </script>
	<!-- ... -->
</html>
复制代码

gl.drawArrays的第一个参数是指定绘制方式,第二个参数是从哪个顶点开始绘制,第三个参数是指定绘制要用到多少个顶点。这样我们就能在黑色的画布上的正中心看到一个蓝色的点:

但是,小朋友你是否有很多的问号?

明明定义的点的位置在(0, 0, 0),为什么点会出现在<canvas>的正中央呢?WebGL相对于<canvas>的位置如下图:

中间的是WebGL相对于<canvas>的坐标,而canvas的坐标则是相对于屏幕的!WebGL相对于<canvas>的坐标并不是绝对的像素值,而是相对的[-1.0, 1.0]。🌰举个例子:我们展示的点在canvas的正中央,如果我们把点的坐标设置为(1.0, 0.0, 0.0, 1.0),那么点就会出现在canvas的最右侧,同理设置为(-1.0, 1.0, 0.0, 1.0),点则展示在canvas的左上角:P

🕹渲染这个点经历了什么?

🤨就这么结束了?

怎么可能就这么结束!让我们给绘制的程序升级一下,现在我们的位置、大小都是在着色器中定义好的。当然WebGL也为我们提供了方法让我们可以从外部传入相应参数值。让我们对着色器改造一下:

const VertexShader = `
  attribute vec4 a_Position;
  void main() {
    gl_Position = a_Position;
    gl_PointSize = 10.0;
  }
`;
复制代码

attribute是一种GLSL SE变量,被用来从外部向顶点着色器内传数据,只有顶点着色器可以使用;同时还有一种变量类型uniformuniform变量传输的是对于所有顶点都相同(或与顶点无关)的数据。上面是着色器代码中,我们将从外部获取到的a_Positiona_PointSize分别赋值给gl_Positiongl_PointSize。怎么通过JavaScript向着色器的attribute变量传值呢?

function main () {
  // ...
  if (!initShaders(gl, VertexShader, FragmentShader)) {
    return alert('初始化着色器失败');
  }

  const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
  gl.vertexAttrib3f(a_Position, 1.0, 0.0, 0.0);
  // ...
}
复制代码

使用vertextAttrib3f方法就可以将使用getAttribLocation获取到的attribute变量赋值,vertexAttrib3f方法会将齐次坐标的最后一个值默认赋值为1.0,当然使用vertexAttrib4f也是可以的:)

🤩再加点功能

当我在canvas上点击的时候,就在点击canvas的地方展示一个点,这就需要我们给canvas绑定方法了:

canvas.onmousedown = function (e) {
  click(e, gl, canvas, a_Position);
};
复制代码

在此就不给详细代码了,canvas绑定事件方式如上,并简单说一下思路:当点击之后获取鼠标在canvas点击的坐标值;然后将坐标转换为WebGL相对于canvas[-1.0, 1.0]形式的坐标;然后清空画布,在重新绘制点。坐标转换的代码如下:

let x = e.clientX;
let y = e.clientY;
const rect = e.target.getBoundingClientRect();

x = (x - rect.left - canvas.width / 2) / (canvas.width / 2);
y = (canvas.height / 2 - y + rect.top) / (canvas.height / 2);
复制代码

比如还能再给每个点设置不同的颜色,提示:使用 uniform 变量。

🤠结束语

使用原生WebGL绘制一个“简单的点”就讲到这里啦:)自己也在不断的学习中,后续会出更多关于WebGL的文章😋

欢迎大家关注公众号:Refactor,后续会出更多好玩并且有用的文章分享给大家,感谢阅读~

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