Web特效05——聚焦“浏览器原生的三个API“(Canvas2D / WebGL / WebGPU)

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Web特效05——聚焦"浏览器原生的三个API"(Canvas2D / WebGL / WebGPU)

前几篇我们搞懂了渲染管线、坐标系统、像素和顶点、CPU和GPU——这些都是地基。但真要动手在浏览器里画东西,绕不开一个问题:到底该用什么API?MDN上能查到至少三个名字:Canvas2D、WebGL、WebGPU。很多人下意识以为"Canvas2D画2D、WebGL/WebGPU画3D",其实不是这么回事——三者的真正区别不在2D还是3D,而在抽象层级:Canvas2D是"画笔式"的高层指令,无需理解GPU和shader;WebGL则要自己准备顶点数据、手写着色器,2D、3D通用,只是门槛更高;WebGPU是WebGL的继任者,更底层也更现代,还多了通用计算能力。这篇就把三者摆在一起,讲清楚各自的抽象层级、适用场景,为后面深挖WebGL和WebGPU打好坐标基础。

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一、三个名字,一个容易踩的坑

打开MDN搜"Web绘图",你会撞见三个名字:Canvas2DWebGLWebGPU。这三个都是浏览器原生自带的接口,不需要引入任何第三方库,写代码时随手就能拿到手。

但很多人对它们的第一反应是这样的:

Canvas2D 用来画2D的东西,WebGL/WebGPU 用来画3D的东西——挑一个对应自己需求的用就行。

这个念头很自然,也很容易踩坑。因为它把三者放在了错误的坐标轴上。

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三者真正的区别,不是"画2D还是画3D",而是抽象层级——也就是"浏览器帮你做了多少事,你自己又要亲手管多少事"。

  • Canvas2D 是一套"画笔式"的高层API。你调用 ctx.fillRect(...)ctx.arc(...) 这类方法,直接下达"画一个矩形""画一个圆"的指令,背后怎么变成屏幕上的像素,浏览器帮你包办了。你完全不需要知道GPU是什么、shader是什么。

  • WebGL 站在完全不同的抽象层级上。它不是"画笔",而是把最基础的绘制能力——准备顶点数据、写一段跑在GPU上的着色器(Shader)程序——直接暴露给你。你要自己组织三角形网格、自己写顶点和片元着色器。关键是:WebGL本身对2D、3D一视同仁,你往里面塞2D坐标它就画2D,塞3D坐标它就画3D,"能不能画3D"从来不是Canvas2D和WebGL的分界线。

  • WebGPU 是WebGL的继任者,站在比WebGL更底层、也更现代的位置——接口设计更贴近GPU硬件的真实工作方式,而且不止能画图,还多了一种能力:通用计算(Compute Shader),可以把GPU当成一个并行计算器来用,不只是画东西。

所以真正该画的坐标轴,是一条"抽象层级"的轴:一端是"浏览器帮你包办一切"的Canvas2D,另一端是"你自己动手、掌控更细"的WebGL和WebGPU。越往右走,能做的特效上限越高,但你需要理解的底层知识也越多。

这也是为什么这个系列要先讲坐标系统、像素和顶点、GPU和CPU——这些正是你往"抽象层级"右端走时,绕不开的地基。接下来两节,我们就沿着这条轴,先看Canvas2D这一端长什么样。

二、Canvas2D:画笔式的高层API

想象你要在一张纸上画画。你可以直接拿起笔说"在这里画个圆""把这块涂成蓝色"——不需要关心纸的材质、墨水怎么附着,笔和纸的物理细节都被"笔"这个工具屏蔽掉了。Canvas2D 就是这样一支"笔"。

专业说法是:Canvas2D 提供了一套**立即模式(Immediate Mode)**的绘图API——你调用一条指令,浏览器立刻把对应的像素画出来,不需要你管理任何底层状态。

1. 拿到画布,开始画

用Canvas2D画东西分两步:先拿到一个<canvas>元素的2D上下文,再调用上下文上的方法下达绘图指令。

<canvas id="stage" width="400" height="300"></canvas>
<script>
  const canvas = document.getElementById('stage');
  const ctx = canvas.getContext('2d');

  // 画一个矩形
  ctx.fillStyle = '#378ADD';
  ctx.fillRect(50, 50, 120, 80);

  // 画一个圆
  ctx.beginPath();
  ctx.arc(280, 90, 40, 0, Math.PI * 2);
  ctx.fillStyle = '#D85A30';
  ctx.fill();

  // 画一条路径(多段直线拼成的折线)
  ctx.beginPath();
  ctx.moveTo(50, 200);
  ctx.lineTo(150, 250);
  ctx.lineTo(250, 180);
  ctx.strokeStyle = '#1D9E75';
  ctx.lineWidth = 3;
  ctx.stroke();
</script>

getContext('2d')拿到的这个ctx对象,就是你和画布之间唯一的接口——后面所有的绘制都是在调用它身上的方法。

2. 常用绘图方法速查

方法作用常见搭配
fillRect(x, y, w, h)画一个填充矩形fillStyle 设置颜色
strokeRect(x, y, w, h)画一个描边矩形strokeStylelineWidth
beginPath() + arc()画圆/弧线fill()stroke() 收尾
moveTo() + lineTo()画折线/多边形路径配合 beginPath() 使用
drawImage()画一张图片/视频帧常用于精灵图、视频特效
fillText()画文字font 设置字体

这里有个容易被忽略的细节:beginPath()不是可选的装饰,而是"告诉画布:我要开始一条新路径了"。忘记调用它,新画的路径会和上一条路径粘在一起,导致图形意外连接。

3. 画一帧背后发生了什么

从调用指令到屏幕上出现像素,Canvas2D帮你处理了整个链路:

flowchart LR
    A[调用绘图指令<br/>fillRect/arc/drawImage] --> B[浏览器内部光栅化]
    B --> C[canvas像素缓冲区]
    C --> D[合成到屏幕]

你只需要停留在最左边这一格——"调用绘图指令",后面三格浏览器全帮你办了。这也正是Canvas2D"高层"的含义:它把光栅化(Rasterization,也就是把矢量指令变成像素)这一步彻底藏了起来,不像后面要讲的WebGL,需要你自己去面对这个环节。

4. 来个demo案例

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<!DOCTYPE html>
<html lang="zh-CN">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Canvas2D 渐变画笔演示</title>
    <style>
        body {
            font-family: -apple-system, "PingFang SC", "Microsoft YaHei", sans-serif;
            background: #f1efe8;
            display: flex;
            flex-direction: column;
            align-items: center;
            padding: 40px 20px;
        }
        h1 {
            font-size: 18px;
            font-weight: 500;
            color: #2c2c2a;
            margin: 0 0 20px;
        }
        .controls {
            display: flex;
            gap: 12px;
            margin-bottom: 16px;
        }
        button {
            padding: 8px 18px;
            font-size: 14px;
            border: 0.5px solid #b4b2a9;
            border-radius: 8px;
            background: #ffffff;
            cursor: pointer;
        }
        button:hover {
            background: #f1efe8;
        }
        button:disabled {
            opacity: 0.5;
            cursor: not-allowed;
        }
        #stage {
            border: 0.5px solid #b4b2a9;
            border-radius: 8px;
            background: #ffffff;
        }
    </style>
</head>
<body>

<h1>Canvas2D 渐变画笔演示</h1>

<div class="controls">
    <button id="startBtn">开始动画</button>
    <button id="resetBtn">重置</button>
</div>

<canvas id="stage" width="640" height="320"></canvas>

<script>
    const canvas = document.getElementById('stage');
    const ctx = canvas.getContext('2d');
    const cssW = canvas.width;
    const cssH = canvas.height;

    const startBtn = document.getElementById('startBtn');
    const resetBtn = document.getElementById('resetBtn');

    // 预先算好画笔要走的路径(一条起伏的曲线)
    let path = [];
    const steps = 400;
    for (let i = 0; i <= steps; i++) {
        const t = i / steps;
        const x = 60 + t * (cssW - 120) + Math.sin(t * Math.PI * 3) * 30;
        const y = cssH / 2 + Math.sin(t * Math.PI * 5) * (cssH / 2 - 50) * Math.sin(t * Math.PI);
        path.push({ x, y });
    }

    // 沿途安排几块要被"涂亮"的色块
    const blockColors = ['#378ADD', '#D85A30', '#1D9E75', '#EF9F27', '#7F77DD'];
    function makeBlockPlan() {
        const plan = [];
        for (let i = 0; i < 6; i++) {
            plan.push({
                frame: Math.floor((i + 1) * steps / 7),
                x: 40 + Math.random() * (cssW - 120),
                y: 30 + Math.random() * (cssH - 100),
                size: 28 + Math.random() * 36,
                color: blockColors[Math.floor(Math.random() * blockColors.length)]
            });
        }
        return plan;
    }
    let blockPlan = makeBlockPlan();

    let idx = 0;
    let running = false;
    let finished = false;
    let rafId = null;

    // 每一帧只往前推进一小段,画笔就会像手绘一样慢慢"长出来"
    function drawSegment() {
        if (idx >= path.length - 1) {
            running = false;
            finished = true;
            startBtn.disabled = true;
            return;
        }

        const grad = ctx.createLinearGradient(0, 0, cssW, cssH);
        grad.addColorStop(0, '#378ADD');
        grad.addColorStop(0.5, '#D85A30');
        grad.addColorStop(1, '#1D9E75');

        const a = path[idx];
        const b = path[idx + 1];
        ctx.beginPath();
        ctx.moveTo(a.x, a.y);
        ctx.lineTo(b.x, b.y);
        ctx.strokeStyle = grad;
        ctx.lineWidth = 4;
        ctx.lineCap = 'round';
        ctx.lineJoin = 'round';
        ctx.stroke();

        const block = blockPlan.find(bp => bp.frame === idx);
        if (block) {
            ctx.fillStyle = block.color + '99';
            ctx.fillRect(block.x, block.y, block.size, block.size);
        }

        idx++;
        rafId = requestAnimationFrame(drawSegment);
    }

    function startDraw() {
        if (running || finished) return;
        running = true;
        startBtn.disabled = true;
        drawSegment();
    }

    function resetCanvas() {
        if (rafId) cancelAnimationFrame(rafId);
        ctx.clearRect(0, 0, cssW, cssH);
        idx = 0;
        running = false;
        finished = false;
        blockPlan = makeBlockPlan();
        startBtn.disabled = false;
    }

    startBtn.addEventListener('click', startDraw);
    resetBtn.addEventListener('click', resetCanvas);
</script>

</body>
</html>

什么时候该用它

Canvas2D的优势是简单、直观、上手成本低,很适合:图表绘制、简单的2D游戏、像素级图像处理(读取/修改像素数据)、UI原型验证。但它有一个天花板:所有绘制都跑在CPU上(或者说,浏览器帮你调度到GPU,但你完全无法干预这个过程),当画面里有成千上万个元素需要同时变化时,性能会先掉下来——这也是为什么"做特效"这件事,早晚要往抽象层级的另一端走。

下一节,我们就跨过这条线,看看WebGL把哪些原本被Canvas2D藏起来的东西,重新交还给了你。

三、WebGL:把活儿交给GPU

还是拿画画打比方。Canvas2D像点餐——你对服务员说"给我画个圆",后厨(浏览器内部)怎么处理,你完全不用管。WebGL则像是直接被请进了后厨:食材(顶点数据)你得自己准备,火候和做法(一段跑在GPU上的小程序)你也得自己写清楚——但换来的是一整支能同时颠勺的厨师团队,而不是一个人埋头慢慢画。这支"厨师团队",就是GPU里成百上千个可以并行运算的核心。

专业说法是:WebGL提供的是一套**可编程渲染管线(Programmable Rendering Pipeline)**接口。核心工作被拆成两段你自己写的小程序——顶点着色器(Vertex Shader)片元着色器(Fragment Shader,也叫像素着色器)。这两段代码不是JS,而是专门交给GPU执行的语言:GLSL(OpenGL Shading Language)

WebGL不负责"画什么",它只负责:把你准备好的顶点数据,按你写的着色器程序,在GPU上跑一遍。

1. 数据要走一条固定的管线

不管你想画三角形、方块还是复杂模型,数据在WebGL里都要经过同一条管线:

flowchart LR
    A[顶点数据<br/>Buffer] --> B[顶点着色器<br/>算出每个顶点的屏幕位置]
    B --> C[图元装配+光栅化<br/>顶点连成三角形,拆成像素]
    C --> D[片元着色器<br/>算出每个像素的颜色]
    D --> E[帧缓冲<br/>最终画面]

顶点着色器管"点在哪",片元着色器管"这个点是什么颜色"——这两段代码你都得亲手写,浏览器不会替你做任何决定。这也是为什么WebGL比Canvas2D"底层":Canvas2D帮你把这条管线全藏起来了,WebGL则把它整个摊开在你面前。

2. 一个最简单的三角形,要写多少代码

哪怕只是画一个纯色三角形,WebGL也要经过"写着色器→编译→链接→准备顶点数据→绑定→绘制"这一整套流程:

const canvas = document.getElementById('stage');
const gl = canvas.getContext('webgl');

// 顶点着色器:决定每个顶点画在屏幕的哪个位置
const vertexSrc = `
  attribute vec2 aPosition;
  void main() {
    gl_Position = vec4(aPosition, 0.0, 1.0);
  }
`;

// 片元着色器:决定每个像素填什么颜色
const fragmentSrc = `
  precision mediump float;
  void main() {
    gl_FragColor = vec4(0.22, 0.54, 0.86, 1.0); // 一个蓝色
  }
`;

function compileShader(gl, type, source) {
  const shader = gl.createShader(type);
  gl.shaderSource(shader, source);
  gl.compileShader(shader);
  return shader;
}

const vs = compileShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vertexSrc);
const fs = compileShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fragmentSrc);

const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vs);
gl.attachShader(program, fs);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);

// 三角形的三个顶点(裁剪空间坐标,范围-1到1)
const vertices = new Float32Array([
  0.0,  0.5,
 -0.5, -0.5,
  0.5, -0.5,
]);

const buffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

const aPosition = gl.getAttribLocation(program, 'aPosition');
gl.enableVertexAttribArray(aPosition);
gl.vertexAttribPointer(aPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

同样是画一个图形,Canvas2D一行fillRect就搞定,WebGL要走完编译着色器、创建buffer、绑定属性这一整套流程。这也是很多人第一次接触WebGL时的感受——门槛陡然拔高。但换来的是:这三个顶点的位置计算、这个三角形每个像素的颜色计算,理论上可以被GPU的成百上千个核心同时处理,而不是CPU一个一个算。

3. 几个绕不开的新概念

概念是什么
Buffer存放顶点数据的一块GPU内存
Attribute顶点着色器里,从buffer取出的"每个顶点独有"的数据(比如位置)
Uniform整次绘制里所有顶点/像素共享的数据(比如一个统一的颜色、一个变换矩阵)
裁剪空间坐标(NDC)WebGL的坐标系统,x/y都被限制在-1到1之间,和屏幕像素坐标不是一回事
Draw Call一次"开始绘制"的调用,比如例子里的gl.drawArrays()

注意这里的坐标系统——WebGL用的是-1到1的裁剪空间坐标,和我们前面讲坐标系统那篇里提到的屏幕像素坐标是两套体系。真正做特效时,两套坐标之间的换算是绕不开的一环。

4. 小结:Canvas2D vs WebGL

Canvas2DWebGL
绘制方式调用高层指令(fillRect等)提交顶点数据+自己写的着色器程序
谁在算浏览器内部处理,对你透明显式跑在GPU的并行运算单元上
用什么语言纯JavaScript着色器用GLSL,其余配合用JS
典型场景图表、简单2D游戏、原型验证大量图形元素、粒子特效、3D场景

WebGL把"怎么画"这件事的控制权整个交还给了你,代价是你要理解顶点、着色器、buffer这些新概念。下一节我们看WebGPU——它站在比WebGL更底层的位置,接口设计更贴近GPU硬件本身,还多了一种WebGL没有的能力:通用计算。

四、WebGPU:更底层,也更现代

如果说WebGL已经把"怎么画"的控制权交还给了你,WebGPU做的是更进一步的事:把GPU本身的能力,更完整、更贴近硬件真实工作方式地暴露出来。

WebGL诞生于2011年,那时候移动GPU的架构和今天已经很不一样了。这些年GPU硬件本身进化了很多,但WebGL的接口设计一直没跟上——它背后其实还绑定着更老的OpenGL ES设计思路。WebGPU就是浏览器厂商重新设计的一套现代GPU接口,直接对标Vulkan、Metal、DirectX 12这些现代图形API的设计理念。

1. 从"每次都要重新配置"到"提前编译好的管线对象"

WebGL里,你调用gl.drawArrays()之前,浏览器要在背后帮你做大量状态检查和转换工作——你设置了哪个着色器、哪个buffer、哪个纹理,这些状态零散地挂在一个全局上下文上,每次绘制前都要重新校验一遍,这些隐藏的开销你完全看不见,也控制不了。

WebGPU把这些状态提前打包成一个"管线对象"(Pipeline Object):你一次性把"用哪个着色器、顶点数据长什么样、怎么混合颜色"这些配置都定义清楚,编译成一个固定的管线,之后反复调用这个管线就行,浏览器不用每次都重新校验状态。这在需要频繁切换绘制状态的复杂场景里(比如同一帧要画成百上千个不同材质的物体),性能差距会很明显。

2. 真正的新能力:通用计算(Compute Shader)

WebGL的shader只能干一件事——参与"画图"这个流程,顶点着色器算位置,片元着色器算颜色,输出永远是屏幕上的像素。

WebGPU多了一种独立的着色器类型:Compute Shader(计算着色器)。它不负责画任何东西,纯粹是把GPU当成一个大规模并行计算器来用——比如同时对几十万个粒子做物理模拟、做图像的并行滤镜处理、做机器学习里的矩阵运算。GPU天生擅长"同一段代码,海量数据并行跑",Compute Shader就是把这个能力单独拆出来,不用再绕道"伪装成画图"去蹭GPU的并行算力。

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这也是本节插图想说明的:WebGL能碰到的只是GPU里"渲染管线"这一块,WebGPU则同时打通了渲染管线和通用计算管线——多出来的这块,是做复杂粒子特效、物理模拟类效果时真正的底气所在。

3. WebGL vs WebGPU 速览

WebGLWebGPU
设计年代2011年,对标OpenGL ES近几年设计,对标Vulkan/Metal/DirectX 12
状态管理每次绘制前动态校验提前编译成管线对象,复用开销更低
着色器类型顶点着色器、片元着色器顶点、片元着色器 + 独立的Compute Shader
通用计算能力没有,只能绕道用着色器"伪装"计算原生支持,不依赖绘制流程
着色器语言GLSLWGSL(WebGPU Shading Language)
浏览器支持几乎所有现代浏览器逐步铺开中,需要留意目标浏览器的支持情况

值得一提的是着色器语言也换了一套:WebGL用GLSL,WebGPU用的是专门新设计的WGSL(WebGPU Shading Language),语法风格和GLSL不完全一样,等真正上手写WebGPU代码时会再细讲。

到这里,Canvas2D、WebGL、WebGPU这三个原生API的核心差异都讲完了。下一节我们把它们放在一起,给一份实用的选型对照,收束这条"抽象层级"的主线。

五、三者到底怎么选

前面四节把Canvas2D、WebGL、WebGPU的抽象层级和能力边界都拆开讲了。这一节收个尾,给一份实操层面的选型参考。

1. 先看你要做的事,而不是先纠结技术选型

选型的第一步不是问"WebGL和WebGPU哪个更好",而是问"我要画的东西,规模和复杂度到什么程度"。

  • 画面里的图形元素数量不多(几十到几百个),逻辑以"响应用户操作重绘"为主 → Canvas2D就够了,没必要上GPU编程。
  • 需要同时处理成千上万个图形元素,或者要做真正意义上的3D场景、粒子系统、自定义光照/材质效果 → 绕不开WebGL或WebGPU。
  • 需要做大规模并行计算(物理模拟、图像批量处理),而不只是"画出来" → 这是WebGPU独有的强项,WebGL做不到。

2. Canvas2D:优先级最高的默认选项

如果你的需求Canvas2D能覆盖,就应该优先选它——不是因为它"简单",而是因为它开发成本低、调试直观、不用操心兼容性。判断标准很简单:这个效果如果用"画笔在纸上画"的方式能想清楚,Canvas2D大概率能做。

典型场景:数据可视化图表、简单的2D小游戏、图片的像素级处理(滤镜、裁剪)、UI里的小动效。

3. WebGL:目前兼容性最好的GPU编程入口

WebGL的最大优势是几乎所有现代浏览器都支持,包括不少较老的移动设备。如果你的项目需要顾及兼容性,或者社区里现成的库、教程、案例更丰富(比如three.js这类建立在WebGL之上的框架,生态已经非常成熟),WebGL仍然是当前最稳妥的选择。

典型场景:3D产品展示、数据可视化里的大规模点云/图表、需要自定义shader效果的视觉特效、绝大多数"Web 3D"相关的应用场景。

4. WebGPU:面向未来,但要看场合

WebGPU的能力上限更高,尤其是需要用到通用计算(比如粒子数量极大的模拟、GPU加速的图像/视频处理)时,是目前浏览器端唯一的原生选择。但它也有两个现实约束:

  • 浏览器支持还在逐步铺开,用之前要确认目标用户的浏览器版本是否覆盖。
  • 生态还年轻,社区案例、封装库都不如WebGL/three.js丰富,很多东西要自己动手写。

典型场景:需要大规模并行计算的特效(比如几十万粒子的物理模拟)、追求极致渲染性能的场景、面向新版浏览器用户群体的实验性项目。

5. 一张对照表收尾

Canvas2DWebGLWebGPU
上手成本中高
浏览器兼容性很好(几乎全覆盖)逐步铺开中
图形规模上限几十~几百个元素海量,3D场景海量,3D场景+通用计算
生态成熟度成熟非常成熟(three.js等)还年轻
通用计算能力
适合场景图表/简单2D动效/像素处理3D展示/大规模可视化/自定义特效粒子模拟/GPU并行计算/前沿场景

一句话总结:能用Canvas2D解决的,别急着上GPU编程;需要GPU编程时,先默认选WebGL图个稳妥;只有当你确实需要通用计算能力、又能接受兼容性代价时,才考虑WebGPU。

六、这只是地基,接下来往哪走

回头看一眼这篇文章走过的路:从"三个名字容易被误解成2D vs 3D"这个坑出发,我们搞清楚了Canvas2D、WebGL、WebGPU真正的区别在于抽象层级——一端是浏览器帮你包办一切的画笔式API,另一端是把顶点、着色器、GPU管线整个摊开给你的底层接口。 请添加图片描述

Canvas2D用一行fillRect就能画出东西,代价是你摸不到GPU的并行算力;WebGL把控制权交还给你,但你得自己写GLSL着色器、自己管理buffer;WebGPU站得更靠近硬件本身,管线提前编译成对象、状态切换开销更低,还多出了Compute Shader这个通用计算的口子。三者不是三选一的竞争关系,而是同一条抽象层级轴上,由浅入深的三个站点。

这一篇建的是"地图",接下来要做的是沿着地图往深处走。具体往哪走,是这篇文章里埋下的三条线:

  • WebGL的着色器与渲染管线:这篇里那个"画一个三角形"的demo只是冰山一角。顶点着色器和片元着色器具体怎么协作、GLSL的语法长什么样、uniform和attribute怎么配合动画和交互——这些都值得单独拆一整篇细讲。
  • WebGPU的管线对象与计算能力:管线对象具体怎么创建、WGSL和GLSL的语法差异、Compute Shader怎么写一个真正的并行计算demo(比如几万个粒子的物理模拟)——这是WebGL天花板之上的部分。
  • Three.js:建立在WebGL之上的框架:前面提过,Three.js不是浏览器原生API,而是把WebGL的这些底层细节封装成了Scene、Camera、Mesh这些高层概念。等WebGL的底子打好了,理解Three.js到底帮你省了哪些活,会顺畅很多。

这三条线里,我们打算先从WebGL的着色器开始往下写——毕竟不管是WebGPU还是Three.js,"顶点着色器算位置、片元着色器算颜色"这套底层逻辑都是共通的,越早吃透,后面走得越快。

七、关于八荒启

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