青训营 |「WebGL基础」

本节课重点内容#

Why WebGL / Why GPU?#

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

现代的图像系统#

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。

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#

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#

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

WebGL 绘图步骤#

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

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

创建 WebGL 上下文#

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;
}

创建 WebGL Program（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);

将数据存到缓冲区中（Data to Frame Buffer）#

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);

读取缓冲区数据到 GPU（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

输出结果（Output）#

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);

WebGL 太复杂？其他方式#

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#

mesh-js/mesh.js: A graphics system born for visualization 😘. (github.com)

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]);

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

SpriteJS/next - The next generation of spritejs.

图形变换（Transforms）#

这就是数字图像处理相关的知识了（学过的都还回来了.jpg）

平移#

旋转#

缩放#

线性变换（旋转 + 缩放）#

从线性变换到齐次矩阵

老师的又一个栗子：Apply Transforms

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）

总结感想#

这节课老师非常详尽的讲解了 WebGL 的绘图及其相关库，展示了很多有意思的 WebGL 小项目～

本文引用的大部分内容来自月影老师的课和 MDN！月影老师，tql!

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