WebGL 与动画实现学习(1) | 青训营笔记

看天的小猪
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这是我参与「第四届青训营 」笔记创作活动的第21天。

笔记小结：  本节课月影老师详细讲解了WebGL的绘图及其相关库，从WebGL的绘图原理步骤再到图形变化的原理介绍……现对照课程内容顺序将笔记补充如下。
拓展链接：【零基础】充分理解WebGL（一） - 掘金 (juejin.cn)

Why WebGL / Why GPU?

image.png

WebGL（全写Web Graphics Library）是一种3D绘图协议，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。

  • WebGL是什么?
    • GPU ≠ WebGL ≠ 3D
  • WebGL为什么不像其他前端技术那么简单?

Modern Graphics System

  • 光栅(Raster)： 几乎所有的现代图形系统都是基于光栅来绘制图形的，光栅就是指构成图像的像素阵列。
  • 像素(Pixel)： 一个像素对应图像上的一个点，它通常保存图像上的某个具体位置的颜色等信息。
  • 帧缓存(Frame Buffer)： 在绘图过程中，像素信息被存放于帧缓存中，帧缓存是一块内存地址。
  • CPU (Central Processing Unit)： 中央处理单元，负责逻辑计算。
  • GPU (Graphics Processing Unit)： 图形处理单元，负责图形计算。

image.png

  • 如上图，现代图像的渲染如图过程
    • 轮廓提取/ meshing
    • 光栅化
    • 帧缓存
    • 渲染
    • The Pipeline

image.png

GPU

  • GPU由大量的小运算单元构成
  • 每个运算单元只负责处理很简单的计算
  • 每个运算单元彼此独立
  • 因此所有计算可以并行处理

WebGL & OpenGL关系

image.png OpenGL, OpenGL ES, WebGL, GLSL, GLSL ES API Tables (umich.edu)

image.png

WebGL Startup

  • 步骤
    • 创建WebGL上下文
    • 创建WebGL Program
    • 将数据存入缓冲区
    • 将缓冲区数据读取到GPU
    • GPU执行WebGL程序，输出结果

image.png

  • 如图，针对几个单词进行解释：
    • Raw Vertices & Primitives 原始顶点&原语
    • Vertex Processor 顶点着色器
    • 运算后送到 片元着色器 进行处理：Fragment Processor

Create WebGL Context

const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');
// 创建上下文， 注意兼容
function create3DContext(canvas, options) {
    const names = ['webgl', 'experimental-webgL','webkit-3d','moz-webgl'];  // 特性判断
    if(options.webgl2) names.unshift(webgl2);
    let context = null;
    for(let ii = 0; ii < names.length; ++ii) {
        try {
            context = canvas.getContext(names[ii], options);
        } catch(e) {
            // no-empty
        }
        if(context) {
            break;
        }
    }
    return context;
}

The Shaders

  • Vertex Shader（顶点着色器）： 通过类型数组position，并行处理每个顶点的位置
attribute vec2 position;// vec2 二维向量
void main() {
    gl_PointSize = 1.0;
    gl_Position = vec4(position, 1.0, 1.0);
}
  • Fragment Shader（片元着色器）： 为顶点轮廓包围的区域内所有像素进行着色
precision mediump float;
void main() {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);//对应rgba（255，0，0，1.0），红色
}

  • 其具体步骤如下：

    • 创建顶点着色器和片元着色器代码：
// 顶点着色器程序代码
const vertexShaderCode = `
attribute vec2 position;
void main() {
    gl_PointSize = 1.0;
    gl_Position = vec4(position, 1.0, 1.0);
}
`;
// 片元着色器程序代码
const fragmentShaderCode = `
precision mediump float;
void main() {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
`;
  • 使用 createShader() 创建着色器对象
  • 使用 shaderSource() 设置着色器的程序代码
  • 使用 compileShader()编译一个着色器
// 顶点着色器
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertex);
gl.compileShader(vertexShader);
// 片元着色器
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragment);
gl.compileShader(fragmentShader);
  • 使用createProgram()创建 WebGLProgram 对象
  • 使用 attachShader() 往WebGLProgram添加一个片段或者顶点着色器。
  • 使用 linkProgram() 链接给定的WebGLProgram，从而完成为程序的片元和顶点着色器准备GPU代码的过程。
  • 使用 useProgram() 将定义好的WebGLProgram 对象添加到当前的渲染状态
// 创建着色器程序并链接
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);

gl.useProgram(program);

Data to Frame Buffer

image.png 坐标轴： webGL的坐标系统是归一化的，浏览器和canvas2D的坐标系统是以左上角为坐标原点，y轴向下，x轴向右，坐标值相对于原点。而webGL的坐标系是以绘制画布的中心点为原点，正常的笛卡尔坐标系。

通过一个顶点数组表示其顶点，使用 createBuffer() 创建并初始化一个用于储存顶点数据或着色数据的WebGLBuffer对象并返回bufferId，然后使用 bindBuffer() 将给定的 bufferId 绑定到目标并返回，最后使用bufferData()，将数据绑定至buffer中。

// 顶点数据
const points = new Float32Array([
    -1, -1,
    0, 1,
    1, -1,
]);
// 创建缓冲区
const bufferId = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, bufferId);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);

Frame Buffer to GPU

getAttribLocation() 返回了给定WebGLProgram对象中某属性的下标指向位置。
vertexAttribPointer() 告诉显卡从当前绑定的缓冲区（bindBuffer()指定的缓冲区）中读取顶点数据。
enableVertexAttribArray() 可以打开属性数组列表中指定索引处的通用顶点属性数组。

const vPosition = gl.getAttribLocation(program, 'position'); // 获取顶点着色器中的position变量的地址
gl.vertexAttribPointer(vPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0); // 给变量设置长度和类型
gl.enableVertexAttribArray(vPosition); // 激活这个变量

Output

drawArrays() 从向量数组中绘制图元

// output
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);  //清除缓冲的数据
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, points.length / 2);

image.png

WebGL与其他图像生成比较

canvas 2D

看看人家canvas2D，绘制同样的三角形：

// canvas 简单粗暴，都封装好了
const canvas = document.querySelector('canvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');
ctx.beginPath();
ctx.moveTo(250, 0);
ctx.lineTo(500, 500);
ctx.lineTo(0, 500);
ctx.fillStyle = 'red';
ctx.fill();

Mesh.js

const {Renderer, Figure2D, Mesh2D} = meshjs;
const canvas = document.querySelector ('canvas');
const renderer = new Renderer(canvas);

const figure = new Figure2D();
figurie.beginPath();
figure.moveTo(250, 0);
figure.lineTo(500，500);
figure.lineTo(0, 500);
const mesh = new Mesh2D(figure, canvas);
mesh.setFill({
    color: [1, 0, 0, 1],
});
renderer.drawMeshes([mesh]);

Polygons

  • Polygons image.png
  • Triangulations

image.png

Earcut

使用Earcut进行三角剖分

const vertices = [    [-0.7, 0.5],
    [-0.4, 0.3],
    [-0.25, 0.71],
    [-0.1, 0.56],
    [-0.1, 0.13],
    [0.4, 0.21],
    [0, -0.6],
    [-0.3, -0.3],
    [-0.6, -0.3],
    [-0.45, 0.0],
];
const points = vertices.flat();
const triangles = earcut(points)

3D Meshing

由设计师导出给我们，再提取

安全中心

image.png

图形变换（Transforms）

  • 平移

image.png

  • 旋转

image.png

  • 缩放

image.png

  • 线性变换（旋转+缩放）

image.png

image.png

  • 从线性变换到齐次矩阵 image.png

3D Matrix

  • 3D标准模型的四个齐次矩阵(mat4)
    • 投影矩阵Projection Matrix（正交投影和透视投影）
    • 模型矩阵Model Matrix （对顶点进行变换Transform）
    • 视图矩阵View Matrix（3D的视角，想象成一个相机，在相机的视口下）
    • 法向量矩阵Normal Matrix（垂直于物体表面的法向量，通常用于计算物体光照）

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