3D绘图小帮手WebGL入门与进阶（上）——WebGL的背景及基本功能

Posted 2021-04-25 京东技术

来这里找志同道合的小伙伴！

改革开发40年以来，世界日新月异，无论从生活到精神上都有了颠覆性的变化，曾经教授还是教书的，砖家还叫专家，太阳还不叫日，菊花还是一种花，老王还没那么多，Web还只需要做IE，XHR还没出生的时候，怎么能想到现在浏览器会提供如此丰富多彩的多媒体生活，无论是音频、视频、以及各种漂亮的页面都在让用户更好的拥抱着互联网，当二维页面无法满足用户之后，会出现什么样的内容来继续推进Web进展呢，没错，就是3D，浏览器中看到的内容从平面变成3D的时候，oH，My God，提起来都让人兴奋。

网站的未来是这样子的：

的确，3D技术会让平淡的网页变的更酷，更让人眼花撩眼，这背后隐藏着什么呢？来来，咱们做下来泡一壶茶，边喝边聊，这个神奇的家伙叫做WebGL。

谈起WebGL可能有一些人比较陌生，实际上WebGL是一种3D绘图标准，这种绘图技术标准允许把javascript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，WebGL可以为html5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。显然，WebGL技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面，甚至可以用来设计3D网页游戏等等。

此链接可以查看你的游览器是否支持WebGL以及支持的版本[1]。

看WebGL的背景实际上是JavaScript操作一些OpenGL接口，也就意味着，可能会编写一部分GLSL ES 2.0的代码，没错，你猜对了，WebGL只是绑定了一层，内部的一些核心内容，如着色器，材质，灯光等都是需要借助GLSL ES语法来操作的.

基于WebGL周边也衍生了众多的第三方库，如开发应用类的Three.js，开发游戏类的Egert.js等，都大大的降低了学习WebGL的成本，但是本着有问题解决问题，没问题制造问题在解决问题的程序猿态度，还是觉得应该稍微了解一下WebGL一些基本的概念，以便能更好的去理解不同框架带来的便捷以及优势。

接下来先简单介绍一下使用到的知识要点。

创建WebGL对象

不同浏览器生命WebGL对象方式有所区别，虽然大部分浏览器都支持experimental-webgl，而且以后会变成webgl，所以创建时做一下兼容处理

 
   
   
 

  
    
    
  
var canvas = document.getElementById("glcanvas");
  
    
    
  
gl = canvas.getContext("webgl") || canvas.getContext("experimental-webgl");
 
   
   
 

着色器

WebGL依赖一种新的称为着色器（shader）的绘图机制。着色器提供了灵活且强大的绘制二维或三维图形的方法，所有WebGL必须使用它。着色器不仅强大，而且更复杂，仅仅通过一条简单的绘图指令是不能操作它的。

WebGL需要两种着色器

• 顶点着色器（Vertex shader）：顶点着色器是用来描述顶点特性（如位置、颜色等）的程序。顶点(Vertex)是指二维或三维空间的一个点，比如二维或三维空间线与线之间的交叉点或者端点。

• 片元着色器（Fragment shader）：进行逐片元处理过程（如光照等）的程序。片元(fragment)是一个WebGL的术语，你可以将其理解成像素。

着色器语言使用的是GLSL ES语言，所以在javascript需要将之存放在字符串中，等待调用编译

创建顶点着色器：

 
   
   
 

  
    
    
  
var VSHADER_SOURCE = 
  
    
    
  
  'void main() {\n' +
  
    
    
  
    '  gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);\n' +
  
    
    
  
    '  gl_PointSize = 10.0;\n' + 
  
    
    
  
  '}\n';
 
   
   
 

创建片元着色器：

 
   
   
 

  
    
    
  
 var FSHADER_SOURCE =
  
    
    
  
    'void main() {\n' +
  
    
    
  
    '  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);\n' +
  
    
    
  
'}\n';
 
   
   
 

浏览器的整个过程如下：

着色器中包含几个内置变量：gl_Position、gl_PointSize、gl_FragColor。

着色器语言中涉及到vec4的数据类型，此数据类型是一个思维浮点数组，所以其值不可以是整形如(1,1,1,1)，正确应为：(1.0,1.0,1.0,1.0)

• gl_Position: 为一种vec4类型的变量，且必须被赋值。四维坐标矢量，我们称之为齐次坐标，即(x,y,z,w)等价于三维左边(x/w,y/w,z/w)，w相当于深度，没有特殊要求设置为1.0即可。

• gl_PointSize：表示顶点的尺寸，也是浮点数，为非必填项，如果不填则默认显示为1.0。

• gl_FragColor：该变量为片元着色器唯一的内置变量，表示其颜色，也是一个vec4类型变量，分别代表（R,G,B,A），不过颜色范围是从0.0-1.0对应Javascript中的#00-#FF。 

有了着色器我们就可以着手去绘制图像了，既然绘制3D图形，必然会有对应的三维坐标系，WebGL采用右手坐标系，如图所示：

使用着色器

让我们来看看如何把着色器代码编译并且使用起来

着色器代码需要载入到一个程序中，webgl使用此程序才能调用着色器。

 
   
   
 

  
    
    
  
var program = gl.createProgram();
  
    
    
  
// 创建顶点着色器 
  
    
    
  
var vShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
  
    
    
  
// 创建片元着色器 
  
    
    
  
var fShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
  
    
    
  
// shader容器与着色器绑定 
  
    
    
  
gl.shaderSource(vShader, VSHADER_SOURCE);
  
    
    
  
gl.shaderSource(fShader, FSHADER_SOURCE);
  
    
    
  
// 将GLSE语言编译成浏览器可用代码 
  
    
    
  
gl.compileShader(vShader);
  
    
    
  
gl.compileShader(fShader);
  
    
    
  
// 将着色器添加到程序上 
  
    
    
  
gl.attachShader(program, vShader);
  
    
    
  
gl.attachShader(program, fShader);
  
    
    
  
// 链接程序，在链接操作执行以后，可以任意修改shader的源代码，
  
    
    
  
对shader重新编译不会影响整个程序，除非重新链接程序 
  
    
    
  
gl.linkProgram(program);
  
    
    
  
// 加载并使用链接好的程序 
  
    
    
  
gl.useProgram(program);
 
   
   
 

让我们尝试绘制一个点

 
   
   
 

  
    
    
  
gl.clearColor(0.0,0.0,0.0,1.0);
  
    
    
  
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  
    
    
  
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0 ,1);
 
   
   
 

我们来看一看最终结果，果然出来了一个点。

Why? 咋这么模糊？没错不是你的眼镜度数又高了，的确是模糊的。

让我们来说说WebGL的坐标系。

因为WebGL的坐标系与实际页面中的坐标系是不同的，如下图，普通canvas坐标系与正常的浏览器像素值相同，但WebGL中的坐标系是以整个WebGL中心点为（0.0，0.0），而且坐标的精确度为小数点后一位。坐标系对比如下图所示：

图上的实例是在使用源生WebGL时，并且未对视角有设置的情况下的默认值。默认视角的位置为(0.0, 0.0, 0.0)，并且lookAt(0.0, 0.0, -1.0)，也就是默认的视角是看向z轴负坐标的，如果点在z的正位置上，则是无法看到点的。

绘制之后，发现这个依旧会绘制出超级模糊的图像，那是因为整个WebGL的尺寸是与canvas宽度与高度相关连的，并且canvas的宽度与高度如果用css来设置的话，会被默认成100×100，也就意味着，你绘制出来的图形是把100×100的图形拉伸到当前canvas的尺寸中。所以正确的设置canvas的方式应该如下：

 
   
   
 

  
    
    
  
//错误
  
    
    
  
<canvas id="glcanvas" style="width: 700px; height: 500px;">
  
    
    
  
//正确的方式
  
    
    
  
<canvas id="glcanvas" width="700" height="500">
 
   
   
 

一个真实尺寸的清晰的点就出现了。

但我们辛苦绘制出来的点居然是正方形的，但WebGL是未提供绘制圆点的方法。

我们首先来了解一下WebGL的渲染机制，顶点着色器的信息在传递给OpenGL底层绘制的时候，会先进行光栅化，也就是把点转化成对应的像素。然后在片元着色器会逐个点进行渲染，最终就达到了视觉看到的效果。

点也是一样，会将点转变成多个像素点，所以要变成圆点，需要如下的方式：

我们需要在片元着色器中来处理，将非原型区域的像素点，不用片元着色器来绘制，着色器需要判断距离圆点的位置超过0.5的话，就忽略此片元点，最终就会出现一个圆点的效果。

 
   
   
 

  
    
    
  
var FSHADER_SOURCE = `
  
    
    
  
 #ifdef GL_ES
  
    
    
  
     precision mediump float;
  
    
    
  
 #endif
  
    
    
  
void main() {
  
    
    
  
  float d = distance(gl_PointCoord, vec2(0.5,0.5));
  
    
    
  
    if(d < 0.5){
  
    
    
  
      gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  
    
    
  
    }else{ discard;} 
  
    
    
  
}`;
 
   
   
 

如下图，我们绘制了一个圆点：

本篇我们已经了解了WebGL的一些背景，以及如何使用一些基本功能，那么如何把着色器动态化并且同时高性能的绘制大量点呢？下一篇我们会解开WebGL缓存区的面纱。

扩展阅读

[1] http://webglreport.com

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