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WebGL基本图形点的绘制

WebGL能够绘制三种基本的图形,点、线、三角形。其他图形都是由这三种基本图形组装成的。

以下例子主要用到以下GLSL知识。

着色器代码

  • gl_Position: 内置变量,用来设置顶点坐标。
  • gl_PointSize: 内置变量,用来设置顶点大小。
  • gl_FragColor: 内置变量,用来设置像素颜色。
  • gl_FragCoord: 内置变量,片元坐标,单位像素
  • precision:精度设置限定符,使用此限定符设置完精度后,之后所有该数据类型都将沿用该精度,除非单独设置。
  • vec2:2 维向量。
  • vec4:4 维向量。
  • 向量运算
    • vec * 浮点数: vec2(x, y) * 2.0 = vec(x * 2.0, y * 2.0)。
    • vec2 * vec2:vec2(x1, y1) * vec2(x2, y2) = vec2(x1 * x2, y1 * y2)。
  • attribute:在顶点着色器中声明跟顶点相关的数据。
  • uniform:在着色器中声明非顶点数据(如光源位置数据、方向数据、矩阵数据)。
  • distance:计算顶点之间距离。
  • discard:舍弃片元。

js程序中的GLSL语言——如何连接着色器程序

  • createShader:创建着色器对象
  • shaderSource:提供着色器源码
  • compileShader:编译着色器对象
  • createProgram:创建着色器程序
  • attachShader:绑定着色器对象
  • linkProgram:链接着色器程序
  • useProgram:启用着色器程序

js中如何往着色器中传递数据

  • getAttribLocation:找到着色器中的 attribute 变量地址。
  • getUniformLocation:找到着色器中的 uniform 变量地址。
  • vertexAttrib2f:给 attribute 变量传递两个浮点数。
  • uniform4f:给uniform变量传递四个浮点数。

图形绘制函数

  • drawArrays(type,start,count): 用指定的图元进行绘制。type主要有以下一些类型。start 指定从哪个点开始绘制。count指定绘制需要使用到多少个点。
    • 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。

1、绘制正方形点图形

<canvas id="canvas" width="500" height="500"></canvas>
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下面是着色器语言。一般会写成一段单独的js代码。当然也可以在js代码中写成一段字符串的形式。 注意: gl.POINTS 模式点渲染的方形区域,方形中心是 0.5,0.5 ,左上角是坐标原点,右下角是 1.0,1.0

  • 顶点着色器

<script type="shader-source" id="vertexShader">
void main(){
    //顶点的位置
  	gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    //顶点的像素大小
  	gl_PointSize = 40.0;
}
</script>
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  • 片元着色器
<script type="shader-source" id="fragmentShader">
// 数据类型为低精度浮点型
precision lowp float;
void main(){
    // 设置片元着色器的颜色
    gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
}
</script>
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  • javascript代码部分
//获取canvas
let canvas = document.getElementById('canvas');
//获取绘图上下文
let gl = canvas.getContext('webgl');
//创建着色器程序
initShader(gl);
//设置清屏颜色为黑色。
gl.clearColor(0, 0, 0, 1.0);
//清屏
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
//绘制一个点。
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
//声明初始化着色器函数
function initShader(gl){
    //创建定点着色器
    const vertexShaderSource = document.querySelector('#vertexShader').innerText;
    //创建片元着色器
    const fragmentShaderSource = document.querySelector('#fragmentShader').innerText;
    //创建顶点着色器对象
    const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
    //创建片元着色器对象
    const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
    //引入顶点、片元着色器源代码
    gl.shaderSource(vertexShader,vertexShaderSource);
    gl.shaderSource(fragmentShader,fragmentShaderSource);
    //编译顶点、片元着色器
    gl.compileShader(vertexShader);
    gl.compileShader(fragmentShader);

    //创建程序对象program
    const program = gl.createProgram();
    //附着顶点着色器和片元着色器到program
    gl.attachShader(program,vertexShader);
    gl.attachShader(program,fragmentShader);
    //链接program
    gl.linkProgram(program);
    //使用program
    gl.useProgram(program);
    //返回程序program对象
    return program;
}
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2、绘制圆形点图形

圆点的绘制主要用到了两个内置函数distancediscarddistance用于计算两个顶点坐标之间的距离。discard函数用于舍弃一些不要的片元。

  • 顶点着色器

<script type="shader-source" id="vertexShader">
void main(){
    //顶点的位置
  	gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    //顶点的像素大小
  	gl_PointSize = 40.0;
}
</script>
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  • 片元着色器
<script type="shader-source" id="fragmentShader">
// 数据类型为低精度浮点型
precision lowp float;
void main(){
    //gl_PointCoord是内置变量,表示顶点坐标 gl_PointCoord的最大值是(1.0,1.0)
    //gl_FragColor 也是内置变量,表示顶点坐标对应的像素的颜色值
    //计算顶点坐标到指定点(0.5,0.5)之间的距离,
    float r = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5, 0.5));
    //根据距离设置片元
    if(r < 0.5){
        // 方形区域片元距离几何中心半径小于0.5,像素颜色设置红色
        gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
    }else {
        // 方形区域距离几何中心半径大于等于0.5的片元剪裁舍弃掉:
        discard;
    }
}
</script>
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  • javascript代码部分

这部分代码跟绘制正方形点图形的代码是一样的。

下面是使用 gl_pointCoord裁剪成 圆形 的图片和没有被裁减的 正方形 的图片对比情况。

3、动态绘制点

通过用户的点击来实现动态添加点。

  • 顶点着色器

<script type="shader-source" id="vertexShader">
//浮点数设置为中等精度
precision mediump float;
//接收 JavaScript 传递过来的点的坐标(X, Y)
attribute vec2 a_Position;
// 接收canvas的尺寸。
attribute vec2 a_Screen_Size;
void main(){
    // 将 canvas 的坐标值 转换为 [-1.0, 1.0]的范围。
    vec2 position = (a_Position / a_Screen_Size) * 2.0 - 1.0;
    // canvas的 Y 轴坐标方向和 设备坐标系的相反。
    position = position * vec2(1.0, -1.0);
    // 最终的顶点坐标。
    gl_Position = vec4(position, 0.0, 1.0);
    // 点的大小。
    gl_PointSize = 10.0;
}
</script>
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  • 片元着色器
<script type="shader-source" id="fragmentShader">
//浮点数设置为中等精度
precision mediump float;
//全局变量,用来接收 JavaScript传递过来的颜色。
uniform vec4 u_Color;
void main(){
    // 将颜色处理成 GLSL 允许的范围[0, 1]。
    vec4 color = u_Color / vec4(255, 255, 255, 1);
    gl_FragColor = color;
}
</script>
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  • javascript代码部分
//获取canvas
let canvas = document.getElementById('canvas');
//获取绘图上下文
let gl = canvas.getContext('webgl');
//创建着色器程序
let program = initShader(gl);
//获取顶点着色器中的变量a_Position的位置。
let a_Position = gl.getAttribLocation(program, 'a_Position');
//获取顶点着色器中的变量a_Screen_Size的位置。
let a_Screen_Size = gl.getAttribLocation(program, 'a_Screen_Size');

//获取片元着色器中的变量u_Color的位置。
let u_Color = gl.getUniformLocation(program, 'u_Color');
//向顶点着色器的 a_Screen_Size 传递 canvas 尺寸信息。
gl.vertexAttrib2f(a_Screen_Size, canvas.width, canvas.height);
//声明初始化着色器函数
function initShader(gl){
    //创建定点着色器
    const vertexShaderSource = document.querySelector('#vertexShader').innerText;
    //创建片元着色器
    const fragmentShaderSource = document.querySelector('#fragmentShader').innerText;
    //创建顶点着色器对象
    const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
    //创建片元着色器对象
    const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
    //引入顶点、片元着色器源代码
    gl.shaderSource(vertexShader,vertexShaderSource);
    gl.shaderSource(fragmentShader,fragmentShaderSource);
    //编译顶点、片元着色器
    gl.compileShader(vertexShader);
    gl.compileShader(fragmentShader);

    //创建程序对象program
    const program = gl.createProgram();
    //附着顶点着色器和片元着色器到program
    gl.attachShader(program,vertexShader);
    gl.attachShader(program,fragmentShader);
    //链接program
    gl.linkProgram(program);
    //使用program
    gl.useProgram(program);
    //返回程序program对象
    return program;
}

//存储区顶点信息的容器
let points = [];

canvas.addEventListener('click', e => {
    let x = e.pageX;
    let y = e.pageY;
    let color = randomColor();
    //存储新的点的坐标和颜色。
    points.push({ x: x, y: y, color: color })
    render(gl);
})
//绘制函数
function render(gl) {
    //清除屏幕
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
    for (let i = 0; i < points.length; i++) {
        let color = points[i].color;
        //向片元着色器传递颜色信息
        gl.uniform4f(u_Color, color.r, color.g, color.b, color.a);
        //向顶点着色器传递坐标信息。
        gl.vertexAttrib2f(a_Position, points[i].x, points[i].y);
        //绘制点。
        gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
    }
}
var random = Math.random;
function randomColor() {
    return {
        r: random() * 255,
        g: random() * 255,
        b: random() * 255,
        a: random() * 1
    };
}
//设置屏幕清除颜色为黑色。
gl.clearColor(0, 0, 0, 1.0);
//绘制
render(gl);
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4、渐变色

  • 顶点着色器
<script type="shader-source" id="vertexShader">
void main(){
    gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    gl_PointSize = 100.0;
}
</script>
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  • 片元着色器
<script type="shader-source" id="fragmentShader">
void main(){
    // 根据片元的x坐标,来设置片元的像素值
    // 片元沿着x方向渐变
    gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.x/500.0*1.0,0.0,0.0,1.0);
}
</script>
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  • javascript代码部分 这部分代码跟绘制正方形点图形的代码是一样的。

5、颜色分区

  • 顶点着色器
<script type="shader-source" id="vertexShader">
void main(){
    gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    gl_PointSize = 200.0;
}
</script>
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  • 片元着色器
<script type="shader-source" id="fragmentShader">
void main(){
    // 根据片元的x坐标,来设置片元的像素值
    if(gl_FragCoord.x < 200.0){
        //默认为 canvas原来的颜色
    }
    else if (gl_FragCoord.x < 250.0) {
        // canvas画布上[0,300)之间片元像素值设置
        gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    } else if (gl_FragCoord.x <= 300.0) {

        // canvas画布上(300,400]之间片元像素值设置 绿色
        gl_FragColor = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);
    } else {
        // canvas画布上(400,500]之间片元像素值设置 蓝色
        gl_FragColor = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0);
    }
}
</script>
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  • javascript代码部分 这部分代码跟绘制正方形点图形的代码是一样的。

参考

WebGL零基础入门教程(郭隆邦);
WebGL 入门与实践

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