WebGL学习(1) - 三角形
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还记得第一次看到canvas的粒子特效的时候，真的把我给惊艳到了，原来在浏览器也能做出这么棒的效果。结合《HTML5 Canvas核心技术》和网上的教程，经过半年断断续续的学习，对canvas的学习终于完结，对常用的canvas特效基本能做到信手拈来的。canvas特效请看：样例列表
众所周知，canvas是2D绘图技术，虽然可以通过坐标变换，位置计算也能做到3D的效果。但3D场景数据量毕竟比2D要高一个数量级的，纯粹用canvas的话，不管是性能和开发的复杂度会成为一个瓶颈。
这也是webGL出现的原因，解决web端3D渲染的场景。webGL会调用到GPU，处理大量重复的3D场景数据时，性能非常有优势。同时webGL是基于openGL ES 2.0， 因此它处理3D场景是非常成熟的。但为什么不直接学习three.js呢？因为本人对图形学感兴趣，只是希望做一些自己喜欢的效果的同时深入了解计算机图形学，没指望通过它做商业项目。
为了让学习更有动力和目的性，我们以实例为导向学习webGL，再从中展开到需要学习哪些知识点。这次我们来实现如下的动画，该教程参考了《WebGL编程指南》
实际效果请看：旋转的三角形
triangle
webGL渲染流程
webGL的渲染流程如下，其中第2，3，4步是重点，里面细节比较多。接着我们就按这个流程一步一步解决问题
- 获取webGL绘图上下文
- 初始化着色器
- 创建、绑定缓冲区对象
- 向顶点着色器和片元着色器写入数据
- 设置canvas背景色，清空canvas
- 绘制
webGL绘图上下文
webGL是canvas基础之上的3D绘图技术，只是上下文不同，get3DContext函数作用就是依次降级获取上下文。
var canvas=document.getElementById('canvas'),
gl=get3DContext(canvas,true);
function get3DContext(canvas, opt) {
var names = ["webgl", "experimental-webgl", "webkit-3d", "moz-webgl"];
var context = null;
for (var i = 0, len=names.length; i < len; i++) {
try {
context = canvas.getContext(names[i], opt);
} catch(e) {}
if (context) {
break;
}
}
return context;
}
着色器
着色器就是嵌入到js中的webGL代码，是由GLSL语言编写的，可以把着色器看成是js代码连接webGL的中间件。顶点着色器和片元着色器分别用于操作顶点和颜色光照，《WebGL编程指南》中是把着色器写成字符串，但从可维护性考虑，还是写在script标签中比较好。GLSL语言与C语言非常像，只要熟悉了GLSL特有的部分，其实还是比较简单的。
限定符
限定符只能用于全局变量，有3种类型：attribute,uniform,varying,目前只用到前两种
attribute用于表示顶点信息
uniform用于表示除顶点外的其他信息，可以是除结构体和数组之外的任意类型
varying用于顶点着色器向片元着色器传输数据
GLSL特有的数据类型
向量：
vec2, vec3, vec4 //表示有2,3,4个浮点数的向量
ivec2, ivec3, ivec4 //表示有2,3,4个整形的向量
bvec2, bvec3, bvec4 //表示有2,3,4个布尔值的向量
矩阵：
mat2, mat3, mat4 //表示有2x2,3x3,4x4的浮点数的矩阵
顶点着色器
<script type="x-shader/x-vertex" id="vs">
attribute vec4 a_Position; //顶点，4个浮点的矢量，attribute变量传输与顶点有关的数据，表示逐顶点的信息
uniform mat4 u_xformMatrix; //变换矩阵，4*4浮点矩阵, uniform变量传输的是所有顶点都相同的数据
void main() {
gl_Position=u_xformMatrix*a_Position;
}
</script>
片元着色器
<script type="x-shader/x-fragment" id="fs">
precision mediump float; // 精度限定
uniform vec4 u_FragColor; // 颜色
void main() {
gl_FragColor = u_FragColor;
}
</script>
接着就是创建着色器了，首先从页面script标签取出着色器代码，初始化着色器；接着创建程序对象，最后连接程序对象。中间的步骤其实非常的啰嗦，已经把这几个步骤封装，我们只需要调用createShaders就可以了。
/**
* 根据script id创建着色器
* @param {Object} gl context
* @param {String} vid script id
* @param {String} fid script id
* @return {Boolen}
*/
function createShaders(gl,vid,fid){
var vshader,fshader,element,program;
[vid,fid].forEach(function(id){
element= document.getElementById(id);
if(element){
switch(element.type){
// 顶点着色器的时候
case 'x-shader/x-vertex': vshader = element.text; break;
// 片段着色器的时候
case 'x-shader/x-fragment': fshader = element.text; break;
default : break;
}
}
});
if(!vshader){
console.log('VERTEX_SHADER String not exist');
return false;
}
if(!fshader){
console.log('FRAGMENT_SHADER String not exist');
return false;
}
program = createProgram(gl, vshader, fshader);
if (!program) {
console.log('Failed to create program');
return false;
}
gl.useProgram(program);
gl.program = program;
return true;
}
/**
* 创建连接程序对象
* @param {Object} gl 上下文
* @param {String} vshader 顶点着色器代码
* @param {String} fshader 片元着色器代码
* @return {Object}
*/
function createProgram(gl, vshader, fshader) {
// 创建着色器对象
var vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vshader);
var fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fshader);
if (!vertexShader || !fragmentShader) {
return null;
}
// 创建程序对象
var program = gl.createProgram();
if (!program) {
return null;
}
// 连接着色器对象
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
// 连接程序对象
gl.linkProgram(program);
// 检查连接结果
var linked = gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS);
if (!linked) {
var error = gl.getProgramInfoLog(program);
console.log('Failed to link program: ' + error);
gl.deleteProgram(program);
gl.deleteShader(fragmentShader);
gl.deleteShader(vertexShader);
return null;
}
return program;
}
/**
* 加载着色器
* @param {Object} gl 上下文
* @param {Object} type 类型
* @param {String} source 代码字符串
* @return {Object}
*/
function loadShader(gl, type, source) {
// 创建着色器对象
var shader = gl.createShader(type);
if (shader == null) {
console.log('unable to create shader');
return null;
}
// 设置着色器程序
gl.shaderSource(shader, source);
// 编译着色器
gl.compileShader(shader);
// 检查编译结果
var compiled = gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS);
if (!compiled) {
var error = gl.getShaderInfoLog(shader);
console.log('Failed to compile shader: ' + error);
gl.deleteShader(shader);
return null;
}
return shader;
}
缓冲区
创建好缓冲区对象后，需要把它分配给变量，然后使它生效。注意顶点数组使用的是类型化数组Float32Array，这样更加高效。vertexAttribPointer方法这里指定了每个顶点分量的个数为2，因为我们目前只定义x,y坐标，z坐标使用系统默认。
/**
* 创建缓冲区
* @param {Array} data
* @param {Object} bufferType
* @return {Object}
*/
function createBuffer(data,bufferType){
// 生成缓存对象
var buffer = gl.createBuffer();
if (!buffer) {
console.log('Failed to create the buffer object');
return null;
}
// 绑定缓存(gl.ARRAY_BUFFER<顶点>||gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER<顶点索引>)
gl.bindBuffer(bufferType||gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
// 向缓存中写入数据
gl.bufferData(bufferType||gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);
// 将绑定的缓存设为无效
// gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);
// 返回生成的buffer
return buffer;
}
// 创建缓冲区并传人顶点
var vertices=new Float32Array([-0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5 ])
if(!createBuffer(vertices)){
return;
}
// 分配缓冲区对象给a_Position变量
// (地址,每个顶点分量的个数<1-4>,数据类型<整形，符点等>,是否归一化,指定相邻两个顶点间字节数<默认0>,指定缓冲区对象偏移量<默认0>)
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
// 启动
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
写入数据
首先要获取变量的地址，然后再给变量赋值，感觉挺麻烦的。attribute标记的变量使用getAttribLocation获取，同理uniform标记的变量使用getUniformLocation获取。
我们的动画要使图形绕坐标原点旋转，那么这就需要用到矩阵的变换，矩阵相关的知识就不详细说明了。要注意webGL使用的是列主序的矩阵，计算好变换矩阵后，把值赋予变量就ok。
// 获取 u_FragColor变量的存储地址并赋值
var u_FragColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_FragColor');
if (!u_FragColor) {
return;
}
//颜色模式为rgba，值范围0～1
gl.uniform4f(u_FragColor, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 绕z轴旋转
var deg=Math.PI/180*(angle++),
cos=Math.cos(deg),
sin=Math.sin(deg);
// webgl中是按列主序 旋转加位移
var xformMatrix=new Float32Array([
cos,sin,0.0,0.0,
-sin,cos,0.0,0.0,
0.0,0.0,1.0,0.0,
0.3,0.0,0.0,1.0
]);
// v表示可以向着色器传输多个数值(地址变量,webgl中必须false,矩阵)
gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix,false,xformMatrix);
背景操作
每次执行动画前进行清屏，和canvas中的设置fillStyle，执行clearRect，效果一样。
// 设置清屏颜色
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 清屏
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
绘制
最后渲染图形，注意第一个参数，指定不同的值，它就渲染为不同的图形，大家可以用不同的值试试效果。
POINTS //点
LINES //线段
LINE_STRIP //线条
LINE_LOOP //回路
TRIANGLES //三角形
TRIANGLE_STRIP //三角带
TRIANGLE_FAN //三角扇
// (基本图形，第几个顶点，执行几次)，修改基本图形项可以生成点，线，三角形，矩形，扇形等
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);
最后主体代码如下：
var canvas=document.getElementById('canvas'),
gl=get3DContext(canvas,true);
function main() {
if (!gl) {
console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
return;
}
if (!createShaders(gl, 'fs', 'vs')) {
console.log('Failed to intialize shaders.');
return;
}
// 创建缓冲区并传人顶点
var vertices=new Float32Array([-0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5, 0.5, -0.5 ])
if(!createBuffer(vertices)){
console.log('Failed to create the buffer object');
return;
}
// 获取顶点位置
var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
if (a_Position < 0) {
console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
return;
}
// 分配缓冲区对象给a_Position变量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
// 获取 u_FragColor变量的存储地址并赋值
var u_FragColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_FragColor');
if (!u_FragColor) {
console.log('Failed to get the storage location of u_FragColor');
return;
}
gl.uniform4f(u_FragColor, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 获取矩阵变量
var u_xformMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_xformMatrix');
if (!u_xformMatrix) {
console.log('Failed to get the storage location of u_xformMatrix');
return;
}
var xformMatrix,angle=0;
// 设置清屏颜色
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 执行动画
(function animate(){
var deg=Math.PI/180*(angle++),
cos=Math.cos(deg),
sin=Math.sin(deg);
// 旋转加位移
xformMatrix=new Float32Array([
cos,sin,0.0,0.0,
-sin,cos,0.0,0.0,
0.0,0.0,1.0,0.0,
0.3,0.0,0.0,1.0
]);
// v表示可以向着色器传输多个数值(地址变量,webgl中必须false,矩阵)
gl.uniformMatrix4fv(u_xformMatrix,false,xformMatrix);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
// (基本图形，第几个顶点，执行几次)，修改基本图形项可以生成点，线，三角形，矩形，扇形等
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);
requestAnimationFrame(animate);
}());
}
main();
总结
相比canvas，webGL的api要原始得多，涉及到很多底层的openGL细节，但经过封装后，我们可以把那部分细节看成一个黑箱。大部分的操作都是基于矩阵变换，尽管有很多方便的第三方矩阵库，但有牢固的线性代数基础还是大有裨益的。GLSL编程语言也是一样需要熟练掌握。
