webgl基础：着色器基础

Posted 2021-08-09 豆皮范儿

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豆皮粉儿，又见面啦！今天由字节跳动的"yancy"童鞋给大家重磅推出一篇 WebGL的干货"WebGL基础：着色器基础"!准备好了吗？接下来让我们开启奇幻旅程，进入 3D 的世界。

1. 认识3D

首先我们要介绍的是几个概念，这是我们要进入到 3D 不可或缺的内容。认识一下它们吧。

1.1 视点，视线，目标点，上方向

这几个概念在 WebGL中属于最常见的内容。

• 视点：可以简易的理解为眼睛，也叫观察点

• 目标点：可以理解为我们要看的物体（任何物体）

• 上方向：头顶的方向。

实际生活中，我们的目光总是以我们的眼睛为起始点，到达我们想要看到的物体，同时，随着我们观察的角度不同，物体也会呈现不一样的形态。以一张图说明吧。

如此几个内容，创建出了 3D世界的基本显示模型，由此可见其重要程度。后面我们也会说到如何在 WebGL 中设定这几个内容。也会有的小伙伴把视点称为相机，目标点称为画布。其实是一样的道理。按照自己的理解记忆就好。

1.2 可视范围

可视范围指的是我们所能看到的最大范围。如：一般情况下我们看不到自己身后的事物。

众所周知，三维物体具有深度的概念。在我们的理解中，深度就是 z 轴。

虽然我们可以将物体放置在三维空间中的任何位置，但是在 WebGL中，可视范围之外的物体是不被绘制的，这也是为了节省开销。

1.3 可视空间

水平视角、垂直视角、可视深度 定义了可视空间的概念。

可视空间分为两种。

• 正射投影：与物体的远近无关，通常用在建筑设计和建模上。

• 透视投影：我们平时观察的真实世界都是透视投影。更有深度的感觉。

1.3 着色器

如果想渲染 3D 图形，就需要经过一系列的步骤，这些步骤称为渲染管线。在开发 WebGL 程序时，我们就需要通过着色器语言跟GPU进行沟通，用来设定我们需要渲染和显示的图形。

由此可见：着色器是编写 WebGL时最重要的一点（没有之一）。我们之所以能生成并操作 3D图像，都是因为着色器在起作用。WebGL中着色器分为两种。顶点着色器和片元着色器。

1.3.1 顶点着色器

这里的顶点代表的是组成物体的每一个点。

顶点着色器的功能主要是将位置数据经过矩阵变换、计算光照之后生成顶点颜色、变换纹理坐标。并将生成的数据输出到片元着色器。

1.3.2 片元着色器

片元着色器的作用是将光栅化阶段生成的每个片元，计算出每个片元的最终元素。

注：

由于着色器内容比较重要，这里我们先引入这两个概念，先简单理解就可以，后面专门对着色器进行分享。

2. 绘制图形

2.1 获取绘图上下文

了解了第一小节的内容之后，我们开始进入到 WebGL开发实战中。

还记得 Canvas中第一步需要干什么吗？

没错，需要获取 Canvas 元素和绘图上下文。WebGL 开发也不例外，也需要首先获取元素和绘图上下文。形如下方代码所示：

2.2 初始化着色器

2.2.1. 编写着色器代码

获取到绘图上下文之后，我们需要初始化 WebGL 的着色器了，着色器代码是以字符串的形式嵌入到渲染程序中，所以我们需要编写两个着色器的字符串。

两个着色器代码都是以字符串的形式存在，并在执行渲染时嵌入到渲染流程内。

说明：

• voidmain(){}: 创建一个主函数。

• gl_Position: 指定绘制的坐标，接收一个拥有4个浮点分量的 vec4数据。分别代表 x,y,z,w数据

• gl_PointSize: 表示要绘制图形的尺寸大小。

• gl_FragColor: 定义图形颜色， 1.00.00.01.0 分别代表 r g b a

2.2.2. 创建着色器

当然，只是编写完着色器代码依然不能完成渲染工作，接下来我们就需要将着色器添加到渲染流程内

2.2.3. 着色器编译

完成上述两步之后，我们就需要将着色器代码添加到着色器中。看下例子。

2.2.4. 创建 program

完成编译之后，我们需要将着色器添加到渲染程序中。

2.2.5. 绘制图形

完成上述步骤之后，就可以绘制我们的图形了。这里我们以一个点为例。在画布上绘制一个点出来。

 
   
   
 

  
    
    
  
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
 
   
   
 

此时就可以打开页面，看到我们绘制的这个点了。

总结代码：

3. 渲染管线

3.1 基础内容介绍

WebGL 的渲染依赖底层 GPU 的渲染能力。所以 WebGL 渲染流程和 GPU 内部的渲染管线是相符的。

渲染管线的作用是将3D模型转换为2维图像。

在早期，渲染管线是不可编程的，叫做固定渲染管线，工作的细节流程已经固定，修改的话需要调整一些参数。

现代的 GPU 所包含的渲染管线为可编程渲染管线，可以通过编程 GLSL，着色器语言 来控制一些渲染阶段的细节。

3.2 渲染过程

（心理承受弱的同学可跳过此小节）

WebGL 的渲染过程分为以下几项：

• 顶点着色器

• 图片装配

• 光栅化

• 片元着色器

• 逐片段操作（本文不会分享此内容）

• 裁剪测试

• 多重采样操作

• 背面剔除

• 模板测试

• 深度测试

• 融合

• 缓存

这里一系列的名词可能会吓到很多同学，千万别被名词吓到哟，接下来的过程中会详细说明。也希望通过本文可以让大家理解基本的渲染流程。附图解一张，助大家理解。

4. 顶点着色器

顶点着色器的作用是通过计算获得最终的顶点坐标， 如：

• A-->()=>{…………}==>A1：坐标 A 经过一系列的计算，最终获取坐标 A1

• B-->()=>{…………}==>B1：坐标 B 经过一系列的计算，最终获取坐标 B1

• …………

顶点着色器计算出来的坐标将会渲染到最终的显示画布上。

此外，顶点着色器还会计算如下内容：颜色、纹理坐标、顶点尺寸……

在顶点着色器阶段通常会涉及到三个类型的变量。

• attribute：针对单一顶点生效。

• 通常用于：顶点位置、顶点大小等内容

• uniform：影响所有顶点

• 通常用于：旋转、平移、缩放等位置变换、颜色处理等内容。

• varying：可通过顶点着色器传入到片元着色器。

像 attribute 这个变量之前我们就用到过，用来设置了顶点的位置和大小。回顾一下

其他的两个变量暂时没有用到，接下来的内容里会用到这两种类型的变量。敬请期待