本文梳理了WebGL中從零到渲染出一個(gè)簡(jiǎn)單幾何圖形的主要流程招盲。幫助一些剛接觸WebGL的玩家簡(jiǎn)單整理下在WebGL中渲染幾何圖形的過程均牢。
目錄
- 初始化WebGL環(huán)境
- 頂點(diǎn)著色器(Vertex Shader)與片元著色器(Fragment Shader)
- 頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象(VBO)、索引數(shù)值對(duì)象(IBO)
- 繪制流程
- 總結(jié)
初始化WebGL環(huán)境
關(guān)于HTML5削葱、<canvas>標(biāo)簽奖亚、WebGL的一些相關(guān)知識(shí)可以去MDN中查看,里面還有一些相關(guān)的學(xué)習(xí)干貨析砸,初始化WebGL環(huán)境可以參考初識(shí)WebGL昔字,我們這里按下不表。
頂點(diǎn)著色器與片元著色器
WebGL圖形渲染管線
介紹著色器之前首繁,我們先過一下WebGL的圖形管線:
我們可以把WebGL的渲染管線當(dāng)做一條車間里的流水線作郭,這個(gè)車間的原材料是一些圖形相關(guān)的數(shù)據(jù)(包括頂點(diǎn)坐標(biāo),頂點(diǎn)顏色等)弦疮,這個(gè)車間生產(chǎn)的產(chǎn)品是我們屏幕上看到的各種圖形夹攒。
圖中綠色的兩個(gè)方塊就是我們要說的頂點(diǎn)著色器(Vertex Shader)和片元著色器(Fragment Shader)。
我們來(lái)一步一步簡(jiǎn)單介紹下這個(gè)條流水線:
圖中最上面的藍(lán)色方塊Attribute可以看做是一條水管胁塞,一端連接頂點(diǎn)數(shù)據(jù)(Vertex Buffer Objects)咏尝,另一端連接頂點(diǎn)著色器,這條水管的作用是把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)輸送給頂點(diǎn)著色器處理啸罢。緊接著编检,頂點(diǎn)著色器把處理過的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)交給片元著色器處理,最后經(jīng)過片元著色器處理過的數(shù)據(jù)將被輸送到Framebuffer中去扰才,為了便于理解允懂,我們暫且、姑且可以把這個(gè)Framebuffer當(dāng)做屏幕衩匣,而這最后的步驟蕾总,也就是把這些處理過的數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示到屏幕上,至此琅捏,渲染管線也就完成了他的使命生百。
在這條流水線上,寫代碼的我們午绳,扮演著的是流水線上的工人置侍,所以我們做的事情是拿來(lái)數(shù)據(jù),然后確保數(shù)據(jù)在這條流水線上,按照既定的流程蜡坊,最終可以變成我們想要的圖形杠输。
頂點(diǎn)著色器與片元著色器
由上所述,WebGL編程中秕衙,我們需要為渲染流水線構(gòu)建好頂點(diǎn)著色器和片元著色器蠢甲。
頂點(diǎn)著色器的功能是對(duì)傳進(jìn)來(lái)的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)通過矩陣進(jìn)行換換位置、計(jì)算照明方程式以生成逐頂點(diǎn)的顏色以及生成或者變換紋理坐標(biāo)据忘。
片元著色器則是對(duì)即將送到屏幕上的像素內(nèi)容進(jìn)行更進(jìn)一步的處理鹦牛,包括一些特殊效果的定制等。
這兩者的內(nèi)容會(huì)在之后的學(xué)習(xí)過程中加以說明勇吊,本文只需對(duì)它們的作用有個(gè)大致的了解即可曼追,更多的內(nèi)容可以參考《OpenGL編程指南》或者是《OpenGL ES 3.0編程指南》,我們這里重點(diǎn)只在于簡(jiǎn)單整理下WebGL的渲染流程汉规。
創(chuàng)建及使用著色器(Shader)
簡(jiǎn)要梳理下shader的創(chuàng)建過程礼殊。shader的作用前文已經(jīng)介紹過了,我們可以把shader當(dāng)做一個(gè)程序针史,頂點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入shader晶伦,輸出經(jīng)過shader處理過的數(shù)據(jù),用于之后的渲染流程啄枕。
創(chuàng)建和使用shader的過程分為以下步驟:
- 首先創(chuàng)建并編譯好著色器對(duì)象
- 將這些著色器對(duì)象鏈接為一個(gè)著色器程序婚陪。
對(duì)于著色器對(duì)象:
- 創(chuàng)建一個(gè)著色器對(duì)象
- 將著色器源代碼編譯為對(duì)象
- 驗(yàn)證著色器的編譯是否成功
創(chuàng)建著色器代碼如下:
// 創(chuàng)建一個(gè)著色器對(duì)象
var vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
// 指定著色器源代碼
gl.shaderSource(vertexShader , vertexshaderSourceCode);
// 將著色器源代碼編譯為對(duì)象
gl.compileShader(vertexShader );
// 驗(yàn)證著色器的編譯是否成功
if (!gl.getShaderParameter(vertexShader , gl.COMPILE_STATUS)) {
alert(gl.getShaderInfoLog(vertexShader ));
return;
}
// 以上的代碼創(chuàng)建了一個(gè)頂點(diǎn)著色器,對(duì)于片元著色器
var fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
// 以下代碼類似
// code gose here ...
創(chuàng)建完著色器對(duì)象后频祝,我們得到了兩個(gè)著色器 vertexShader 和 fragmentShader
對(duì)于著色器程序:
- 創(chuàng)建一個(gè)著色器程序
- 將著色器對(duì)象關(guān)聯(lián)到著色器程序
- 連接著色器程序
- 判斷著色器的鏈接過程是否成功完成
- 使用著色器來(lái)處理頂點(diǎn)和片元
創(chuàng)建著色器程序代碼如下:
// 創(chuàng)建一個(gè)著色器程序
var program = gl.createProgram();
// 將著色器對(duì)象關(guān)聯(lián)到著色器程序
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
// 連接著色器程序
gl.linkProgram(program);
// 判斷著色器的鏈接過程是否成功完成
if (!gl.getProgramParameter(prg, gl.LINK_STATUS)) {
alert("Could not initialise shaders");
}
// 使用著色器來(lái)處理頂點(diǎn)和片元
gl.useProgram(program);
在大致了解過這條渲染流水線后泌参,我們接著將要介紹下頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象和索引數(shù)組對(duì)象。
頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象(VBO)智润、索引數(shù)值對(duì)象(IBO)
頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象(VBO)
頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象(VBO)對(duì)應(yīng)著圖中最上方的紅色的方塊及舍。頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象包含著WebGL要渲染的圖形的數(shù)據(jù)未辆】弑粒可以看成是流水線上的原材料。在WebGL的渲染過程中咐柜,這些圖形的數(shù)據(jù)往往通過頂點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存和輸送兼蜈,頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象包含的數(shù)據(jù)一般包括頂點(diǎn)位置信息、頂點(diǎn)位置上的法線向量拙友、紋理坐標(biāo)等为狸。
索引數(shù)組對(duì)象(IBO)
在圖形的繪制過程中,我們把每3個(gè)頂點(diǎn)繪制成一個(gè)三角形遗契,即圖形學(xué)中“面”(surface)的含義辐棒,而后通過成千上萬(wàn)的面組成了我們空間中的三維模型。索引數(shù)組對(duì)象(IBO)的作用是告訴WebGL要通過什么樣的順序來(lái)將我們傳入的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)連接成面。為了便于理解漾根,我們舉個(gè)栗子:
當(dāng)我們按照如圖所示的方式繪制一個(gè)梯形時(shí)泰涂,我們弄來(lái)了5個(gè)頂點(diǎn)(0, 0)、(10, 10)辐怕、(20, 0)逼蒙、(30, 10)、(40, 0)分別對(duì)應(yīng)從0-4的五個(gè)索引寄疏。而當(dāng)我們繪制圖形時(shí)是牢,定義的索引數(shù)組[0, 2, 1, 1, 2, 3, 2, 4, 3]的意思就是告訴WebGL,把索引為0陕截、2驳棱、1的三個(gè)頂點(diǎn)組成一個(gè)三角形,索引為1农曲、2蹈胡、3的三個(gè)頂點(diǎn)組成另一個(gè)三角形,索引為2朋蔫、4罚渐、3的頂點(diǎn)也組成一個(gè)三角形(可參照?qǐng)D示)。
索引數(shù)組對(duì)象的作用就是保存這些索引數(shù)組的數(shù)據(jù)驯妄,用以傳輸給WebGL渲染管線荷并。
創(chuàng)建頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象&索引數(shù)組對(duì)象
WebGL狀態(tài)機(jī)
在介紹如何創(chuàng)建這兩個(gè)對(duì)象前,我們要先知道青扔,WebGL是個(gè)狀態(tài)機(jī)源织。我們可以這么理解,假設(shè)WebGL中的屬性P的值為1微猖,你在某一次操作中谈息,把P的值設(shè)置成了2,那么在你下一次設(shè)置P的值之前凛剥,P的值永遠(yuǎn)是2侠仇。
更直觀一點(diǎn)的表述,你可以想象WebGL像KFC套餐犁珠,有個(gè)套餐A逻炊,里面包含一個(gè)香辣雞腿堡,一杯百事可樂犁享。你每次點(diǎn)A套餐余素,都會(huì)得到一個(gè)香辣雞腿堡,一杯百事可樂炊昆,而你在每次用餐的過程中桨吊,吃的漢堡都是香辣雞腿堡威根,喝的可樂都是百事可樂。直到某一天视乐,KFC把A套餐的內(nèi)容改成了一個(gè)奧爾良烤雞腿堡医窿,一杯可口可樂。在那天之后炊林,同樣是A套餐姥卢,但是你吃的漢堡就變成了奧爾良烤雞腿堡,喝的可樂變成了可口可樂渣聚,除非KFC對(duì)A套餐的內(nèi)容再進(jìn)行調(diào)整独榴,不然點(diǎn)A套餐的你只能喝上一輩子的可口可樂(本人比較喜歡百事可樂)。
所以你可以把WebGL上下文想象成是A套餐奕枝,WebGL中的一些屬性選項(xiàng)的對(duì)應(yīng)的是漢堡棺榔、可樂,而香辣雞腿堡隘道、奧爾良烤雞腿堡症歇、百事可樂、可口可樂對(duì)應(yīng)的是屬性當(dāng)前的值谭梗。類比一下忘晤。
頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象的創(chuàng)建
接下來(lái)插播一段代碼:
var vertices = [
-50.0, 50.0, 0.0,
-50.0,-50.0, 0.0,
50.0,-50.0, 0.0,
50.0, 50.0, 0.0
];
// 調(diào)用gl.createBuffer()創(chuàng)建了一個(gè)塊內(nèi)存空間,并讓 vertexBufferObject 變量指向這塊空間
var vertexBufferObject = gl.createBuffer();
// 把WebGL中用于繪制的數(shù)組數(shù)據(jù)的屬性(ARRAY_BUFFER)的值的地址指向上文我們創(chuàng)建的 vertexBuffer 內(nèi)存空間激捏。
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBufferObject );
// bufferData 函數(shù)對(duì) ARRAY_BUFFER 屬性對(duì)應(yīng)的空間填充值
// WebGL 狀態(tài)機(jī)概念出場(chǎng)设塔!
// 由于我們?cè)谏弦粋€(gè)語(yǔ)句中,修改了 ARRAY_BUFFER 的值远舅,由于狀態(tài)機(jī)的性質(zhì)闰蛔,所以我們調(diào)用該函數(shù)進(jìn)行傳值時(shí),
// 傳入的值是會(huì)給此時(shí)gl中的 ARRAY_BUFFER 屬性指向的空間图柏,也就是
vertexBufferObject 的內(nèi)存空間序六。
// 此處調(diào)用把 vertices 中的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)傳入了 vertexBufferObject 對(duì)象
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);
// 傳值完畢,恢復(fù) ARRAY_BUFFER 的值為空
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);
所以這段代碼就創(chuàng)建了一個(gè)名為 vertexBufferObject 的頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象蚤吹。代碼中具體的API可以查閱相關(guān)的資料例诀。
索引數(shù)組對(duì)象的創(chuàng)建
索引數(shù)組對(duì)象的創(chuàng)建與頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象的創(chuàng)建大同小異
var indices = [
0, 2, 1,
1, 2, 3
];
var indicesBufferObject = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indicesBufferObject );
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new Uint16Array(indices),
gl.STATIC_DRAW);
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null);
這里需要注意的是,索引數(shù)組對(duì)象對(duì)應(yīng)的屬性為ELEMENT_ARRAY_BUFFER距辆。而傳入的數(shù)組類型是Uint16Array余佃。
繪制流程
最后,我們要把前面提到的內(nèi)容按照渲染管線的圖示結(jié)合起來(lái)跨算。再看一眼我們的地圖:
好,上代碼:
// 按照?qǐng)D示來(lái)看椭懊,要繪制一個(gè)圖形诸蚕,首先我們需要原材料:
// 1. 一個(gè)頂點(diǎn)數(shù)組對(duì)象(VBO)步势,用于存儲(chǔ)相關(guān)的頂點(diǎn)數(shù)據(jù),
// 同時(shí)需要一個(gè)表示頂點(diǎn)組合順序的索引數(shù)組對(duì)象(IBO)。
// 2. 需要兩個(gè)著色器(vertex shader 及 fragment shader)和一個(gè)著色器程序背犯,用來(lái)保證管線的順利進(jìn)行坏瘩。
// 好了,開工漠魏!
// 先來(lái)VBO和IBO
var vertices = [
-0.5,0.5,0.0,
-0.5,-0.5,0.0,
0.5,-0.5,0.0,
0.5,0.5,0.0
];
var indices = [3,2,1,3,1,0];
// 創(chuàng)建VBO
var vertexBufferObj = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBufferObj );
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);
// 創(chuàng)建IBO
var indexBufferObj = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBufferObj );
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new Uint16Array(indices), gl.STATIC_DRAW);
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null);
// 創(chuàng)建頂點(diǎn)著色器
var vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader , vertexshaderSourceCode);
gl.compileShader(vertexShader );
// 驗(yàn)證著色器的編譯是否成功
if (!gl.getShaderParameter(vertexShader , gl.COMPILE_STATUS)) {
alert(gl.getShaderInfoLog(vertexShader ));
}
// 同理創(chuàng)建片元著色器
var fragmentShader= gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
/* so many balabalabala... */
// 創(chuàng)建著色器程序
var program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
// 判斷著色器的鏈接過程是否成功完成
if (!gl.getProgramParameter(prg, gl.LINK_STATUS)) {
alert("Could not initialise shaders");
}
目前為止倔矾,我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了繪制圖形的所有原料了,接下里就是如何通過WebGL繪制出圖形了柱锹。
// 先獲取頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)入著色器的入口(后文會(huì)講解)
program.vertexPosition = gl.getAttribLocation(program, "aVertexPosition");
// 繪制場(chǎng)景的函數(shù)
function drawScene(){
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
gl.viewport(0, 0, c_width, c_height);
// 指定繪制時(shí)使用的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBufferObj );
// 一下這兩行代碼對(duì)應(yīng)的作用是將頂點(diǎn)數(shù)據(jù)讀入著色器中哪自,后文會(huì)加以解釋
gl.vertexAttribPointer(program.aVertexPosition, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(program.vertexPosition);
// 指定繪制時(shí)使用的索引數(shù)組
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBufferObj);
// 以給定的形式繪制圖形
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, indices.length, gl.UNSIGNED_SHORT,0);
}
這樣我們就實(shí)現(xiàn)了圖形的繪制。
由于本文重點(diǎn)在于梳理繪制流程禁熏,并沒有深入介紹著色器相關(guān)的內(nèi)容壤巷,所以對(duì)于gl.vertexAttribPointer函數(shù)和gl.enableVertexAttribArray會(huì)有疑惑。
為了解釋一下這個(gè)問題瞧毙,我們先看一段頂點(diǎn)著色器的代碼
<script id="shader-vs" type="x-shader/x-vertex">
attribute vec3 aVertexPosition;
void main(void) {
gl_Position = vec4(aVertexPosition,1.0);
}
</script>
其中代碼中的aVertexPosition表示的是頂點(diǎn)數(shù)據(jù)從這個(gè)變量進(jìn)入著色器胧华。
就像我們前文比喻的那樣,這個(gè)aVertexPosition就像一端連接頂點(diǎn)數(shù)據(jù)(Vertex Buffer Objects)宙彪,另一端連接頂點(diǎn)著色器的水管的開關(guān)矩动。
我們執(zhí)行program.vertexPosition = gl.getAttribLocation(program, "aVertexPosition");
時(shí),相當(dāng)于把這個(gè)開關(guān)的位置記錄在program.vertexPosition上面释漆。
以下代碼:
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBufferObj );
gl.vertexAttribPointer(prg.vertexPosition, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(program.vertexPosition);
bindBuffer
指定當(dāng)前WebGL繪制的數(shù)據(jù)為vertexBufferObj中的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)铅忿。
vertexAttribPointer
函數(shù)則把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)通過水管接到著色器"aVertexPosition"的位置上,也就是我們記錄下來(lái)的program.vertexPosition的位置灵汪。
gl.enableVertexAttribArray(program.vertexPosition)
則是最后一步把水管的閥門打開檀训,讓頂點(diǎn)數(shù)據(jù)流入著色器。
總結(jié)
本文主要目的是簡(jiǎn)單梳理了下WebGL繪制圖形的大致編程流程享言,并沒有做很深入的講解峻凫。WebGL基于OpenGL ES 2.0,而早先的OpenGL用的都是固定的渲染管線览露,之前學(xué)OpenGL一開始都是glBegin荧琼,glEnd,glVertex2d啥的一堆東西差牛,精簡(jiǎn)版的OpenGL ES一上來(lái)就拋棄了之前固定渲染管線的東西命锄,使用了可編程的渲染管線,一上來(lái)就要求要編寫Shader偏化,所以繪制一個(gè)圖形就變得比較繁瑣一點(diǎn)脐恩。于是有了這篇筆記,以供剛開始學(xué)習(xí)WebGL的玩家們參考侦讨。
對(duì)于文中的一些API并沒有進(jìn)入詳細(xì)的講解驶冒,需要的同學(xué)可以查閱相關(guān)的資料書籍苟翻。