初级入门 --- 认识 WebGL

Posted 2021-03-13 禅楼望月

WebGL 是什么？

WebGL 是一组基于 javascript 语言的图形规范，浏览器厂商按照这组规范进行实现，为 Web 开发者提供一套3D图形相关的 API。

这些 API 能够让 Web 开发者使用 JavaScript 语言直接和显卡（GPU）进行通信。当然 WebGL 的 GPU 部分也有对应的编程语言，简称 GLSL。我们用它来编写运行在 GPU 上的着色器程序。着色器程序需要接收 CPU（WebGL 使用 JavaScript） 传递过来的数据，然后对这些数据进行流水线处理，最终显示在屏幕上，进而实现丰富多彩的 3D 应用，比如 3D 图表，网页游戏，3D 地图，WebVR 等。

WebGL 工作原理

3D 模型数据从诞生到最终显示在屏幕上，大家可以想象一下流水线的生产过程，流水线按照既定的步骤对原料进行加工，当前步骤只对前一步骤的结果进行处理，然后将处理后的结果传递给下一步骤，最终将原材料生产成完整的产品。WebGL 的工作方式和流水线类似，也是按照流水线的方式将 3D 模型数据渲染到 2D 屏幕上的，业界把这种渲染方式称为图形管线或者渲染管线。

WebGL 只能够绘制点、线段、三角形这三种基本图元，但是我们经常看到 WebGL 程序中含有立方体、球体、圆柱体等规则形体，甚至很多更复杂更逼真的不规则模型，那么 WebGL 是如何绘制它们的呢？其实这些模型本质上是由一个一个的点组成，GPU 将这些点用三角形图元绘制成一个个的微小平面，这些平面之间互相连接，从而组成各种各样的立体模型。

因此，我们的首要任务是创建组成这些模型的顶点数据。

一般情况下，最初的顶点坐标是相对于模型中心的，不能直接传递到着色器中，我们需要对顶点坐标按照一系列步骤执行模型转换，视图转换，投影转换，转换之后的坐标才是 WebGL 可接受的坐标，即裁剪空间坐标。我们把最终的变换矩阵和原始顶点坐标传递给 GPU，GPU 的渲染管线对它们执行流水线作业。

GPU 渲染管线的主要处理过程如下：

• 首先进入顶点着色器阶段，利用 GPU 的并行计算优势对顶点逐个进行坐标变换。
• 然后进入图元装配阶段，将顶点按照图元类型组装成图形。
• 接下来来到光栅化阶段，光栅化阶段将图形用不包含颜色信息的像素填充。
• 在之后进入片元着色器阶段，该阶段为像素着色，并最终显示在屏幕上。

什么是 GLSL？

GLSL 的中文意思是 OpenGL 着色语言，英文全称是 OpenGL Shading Language，它是用来在 OpenGL 编写着色器程序的语言。

着色器程序:着色器程序允许我们通过编程来控制 GPU 的渲染

那么 GPU 渲染过程中的哪些部分允许开发者控制呢？下图是对 WebGL 渲染管线的简单演示：

上图简单演示了 WebGL 对一个红色三角形的渲染过程，绿色部分为开发者可以通过编程控制的部分：

• JavaScript 程序
  处理着色器需要的顶点坐标、法向量、颜色、纹理等信息，并负责为着色器提供这些数据，上图为了演示方便，只是提供了三角形顶点的位置数据。
• 顶点着色器
  接收 JavaScript 传递过来的顶点信息，将顶点绘制到对应坐标。
• 图元装配阶段
  将三个顶点装配成指定图元类型，上图采用的是三角形图元。
• 光栅化阶段 将三角形内部区域用空像素进行填充。
• 片元着色器 为三角形内部的像素填充颜色信息，上图为暗红色。

实际上，对顶点信息的变换操作既可以在 JavaScript 中进行，也可以在着色器程序中进行。通常我们都是在 JavaScript 中生成一个包含了所有变换的最终变换矩阵，然后将该矩阵传递给着色器，利用 GPU 并行计算优势对所有顶点执行变换。