WebGL简易教程(二)：向着色器传输数据

1. 概述

在上一篇教程《WebGL简易教程(一)：第一个简单示例》中，通过一个绘制点的例子，对WebGL中的可编程渲染管线有了个基本的认识。在之前绘制点的例子中，点的位置，点的大小，点的颜色，都是固定写在着色器中的，这样的程序是缺乏可扩展性的。

比如我想绘制一张地形（DEM），平时地形数据是保存在地形文件之中的。被程序加载之后，数据信息首先要被读取到内存，然后传递给显存，最后由显卡进行绘制。渲染管线之所以灵活强大，正是由于可以向负责绘制工作的着色器传递数据。

2. 示例：绘制一个点(改进版)

在上一篇绘制点例子之上进行改进，改进后的HelloPoint1.js代码如下：

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' + // attribute variable
  'void main() {\n' +
  '  gl_Position = a_Position;\n' + // Set the vertex coordinates of the point
  '  gl_PointSize = 10.0;\n' +                    // Set the point size
  '}\n';

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;\n' +
  'uniform vec4 u_FragColor;\n' +  // uniform変数
  'void main() {\n' +
  '  gl_FragColor = u_FragColor;\n' + // Set the point color
  '}\n';

function main() {
  // 获取  元素
  var canvas = document.getElementById('webgl');

  // 获取WebGL渲染上下文
  var gl = getWebGLContext(canvas);
  if (!gl) {
    console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
    return;
  }

  // 初始化着色器
  if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
    console.log('Failed to intialize shaders.');
    return;
  }

  // 获取attribute变量的存储位置
  var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
  if (a_Position < 0) {
    console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
    return;
  }

  // 将顶点位置传输给attribute变量
  gl.vertexAttrib3f(a_Position, 0.5, 0.5, 0.0);

  //获取u_FragColor变量的存储地址
  var u_FragColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_FragColor');
  if (!u_FragColor) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_FragColor');
    return;
  }

  //将点的颜色传入到u_FragColor变量中
  gl.uniform4f(u_FragColor, 0.0, 0.8, 0.0, 1.0);

  // 指定清空的颜色
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

  // 清空
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

  // 绘制一个点
  gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
}

1) attribute变量

在顶点着色器中，可以看到声明了一个attribute的全局变量a_Position，并且将这其赋值给gl_Position：

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' + // attribute variable
  'void main() {\n' +
  '  gl_Position = a_Position;\n' + // Set the vertex coordinates of the point
  '  gl_PointSize = 10.0;\n' +                    // Set the point size
  '}\n';

attribute是glsl中三种变量声明之一，代表的是与顶点相关的数据，只能用在顶点着色器中。这个变量存储了从外部传输进顶点着色器的数据。

在shader中定义好attribute变量之后，还需要通过JS与shader进行交互。通过WebGL的渲染上下文变量gl，可以得到获取attribute变量的存储地址的方法getAttribLocation（），其定义如下：

通过这个函数，获取着色器中attribute变量的位置：

  // 获取attribute变量的存储位置
  var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
  if (a_Position < 0) {
    console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
    return;
  }

获取地址之后，就可以向attribute变量传送数据了。通过使用gl. vertexAttrib3f()函数来向着色器传入值。这里将想要绘制点的位置传送给顶点着色器。

  // 将顶点位置传输给attribute变量
  gl.vertexAttrib3f(a_Position, 0.5, 0.5, 0.0);

其函数定义如下：

注意这个函数是有一系列的同族函数，都是以基础函数名+参数个数+参数类型来命名的，以应付传输不同的数据。具体可以查阅WebGL的API。

2) uniform变量

同样的，在片元着色器中，声明了一个全局的uniform变量u_FragColor，并将其赋值给gl_FragColor：

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;\n' +
  'uniform vec4 u_FragColor;\n' +  // uniform変数
  'void main() {\n' +
  '  gl_FragColor = u_FragColor;\n' + // Set the point color
  '}\n';

uniform是glsl中另外一种变量声明，表示的是JavaScript程序向顶点着色器和片元着色器传输的一致的(不变的)数据；也就是是说这种变量既可以用在顶点着色器也可以用于片元着色器。

与attribute变量类似，uniform变量也是先获取其地址，然后向其传值。这里将想要绘制的颜色传送给片元着色器：

//获取u_FragColor变量的存储地址
  var u_FragColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_FragColor');
  if (!u_FragColor) {
    console.log('Failed to get the storage location of u_FragColor');
    return;
  }

  //将点的颜色传入到u_FragColor变量中
  gl.uniform4f(u_FragColor, 0.0, 0.8, 0.0, 1.0);

可以看到uniform变量是通过gl.getUniformLocation（）函数获取地址，gl.uniform4f()变量传送数据的。它们的函数定义如下：

3) varying变量

除了attribute变量和uniform变量之外，还有一种varying变量，它表示的是从顶点着色器流向片元着色器可变的变量。这一点会在以后讲到。如下所示为向着色器传输数据的方式：

3. 结果

再次打开HelloPoint1.html，其显示结果如下：

可以看到点的位置发生了变化，同时颜色也从红色变成了绿色。位置信息和颜色信息不再是硬编码在着色器中，而是从外部传入的。

4. 参考

本来部分代码和插图来自《WebGL编程指南》，源代码链接：https://share.weiyun.com/5VjlUKo ，密码：sw0x2x。会在此共享目录中持续更新后续的内容。

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