学习WebGL之绘制三角形

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本文将介绍如何使用WebGL绘制一个三角形，下面是运行截图，可以前往我的博客查看代码演示。

想要使用WebGL绘制一个三角形，我们需要先了解一些基本概念。

WebGL如何绘制几何体？

从三角形到四边形，再到正方体，或是更为复杂的3D模型，都可以称作几何体，它们都是由点组成的。三个点是三角形，四个点就是四边形。我们通常能想到关于点的描述无非就是位置，我们可以用一个数组来表示点的位置。比如x,y坐标位于(0，1), (-1，-1)，(1，-1)的三个点就可以构成一个三角形。如果切换到3D世界，加上z轴的坐标，就是(0，1，0), (-1，-1，0)，(1，-1，0)。我们把这些数据按照顺序都放到一个数组里，就变成了(0，1，0，-1，-1，0，1，-1，0)，这就是WebGL需要的数据。不过只有这些是不够的，我们还要告诉WebGL，每个点的数据由3个数字构成，这样WebGL就知道每隔3个数取一次点的位置数据了。最后我们还需要告诉WebGL要怎样使用这些点，是填充一个三角形，还是画一个没有填充的三角形，甚至是只画3个点。一个顶点所能包含的信息远远不止位置，这将在后续的文章中详述。

在WebGL的世界里，通常称这些点为顶点。

坐标系

默认情况下，屏幕坐标如下图所示。x轴从左往右，y轴从下往上，z轴从里向外。

Shader概念

Shader是WebGL中很重要的概念，它主要分为Vertex Shader和Fragment Shader。Vertex Shader主要处理顶点数据，它将我们传递进去的顶点数据处理后告诉GPU，GPU就知道需要在哪绘制几何体了。Fragment Shader主要处理像素数据，每个像素在呈现前都要经过Fragment Shader的处理。下面是本文使用的两个简单的Shader。

上面是Vertex Shader，attribute vec4 position;是我们传递进去的顶点位置，attribute表示这是一个顶点属性，vec4表示这是一个4维向量，由4个float组成，刚好对应x,y,z,w。w是什么？在进行矩阵变换时要保持矩阵尺寸的匹配，所以需要用4个float表示位置，这将在后续文章中详细介绍。gl_Position是Shader内置的变量，赋给它的值最后会被交给GPU。

下面是Fragment Shader，只做了一件事，给像素赋予了白色vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);，rgba都是1，这里rgba的取值范围是0到1。gl_FragColor也是内置变量，它的值最终会赋给对应的像素。

这两个script节点写在了html中，可以通过getElementById获取到他们的文本。

使用Shader

使用Shader的方式比较繁琐，需要编译链接，你可以把Shader当做运行在GPU上的小程序，编译链接后才能在GPU上运行。下面是编译链接的代码。

function makeProgram() {
  program = gl.createProgram();

  vertexShaderNode = document.getElementById("shader-vs");
  vertexShader = makeShader(vertexShaderNode.textContent, gl.VERTEX_SHADER);
  fragmentShaderNode = document.getElementById("shader-fs");
  fragmentShader = makeShader(fragmentShaderNode.textContent, gl.FRAGMENT_SHADER);
  gl.attachShader(program, vertexShader);
  gl.attachShader(program, fragmentShader);
  gl.linkProgram(program);

  if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
    console.log('Unable to initialize the shader program: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
  }
  return program;
}

function makeShader(shaderSrc, shaderType) {
  shader = gl.createShader(shaderType);
  gl.shaderSource(shader, shaderSrc);
  gl.compileShader(shader);
  if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
    console.log('An error occurred compiling the shaders: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
    gl.deleteShader(shader);
    return null;
  }
  return shader;
}

makeShader负责编译单个Shader，makeProgram负责编译链接Vertex Shader和Fragment Shader。最后生成小程序program，它是连接CPU和GPU的桥梁，我会在渲染时使用它。

准备三角形的顶点数据

WebGL的顶点数据需要放到它生成的容器中才能被它使用。所以我们需要使用gl的createBuffer方法来生成需要的顶点数据容器，然后将顶点数据放到容器中。这里使用Float32Array是因为WebGL对数据大小很敏感，我们渲染时需要明确告诉它一个顶点数据有多大，所以这里使用32位的浮点数据明确的转换triangle数组。gl.STATIC_DRAW表示我们不会修改这块缓存，GPU会针对性的做一些优化。

function makeBuffer() {
  var triangle = [
    0.0, 1.0, 0.0, 
    -1.0, -1.0, 0.0,
    1.0, -1.0, 0.0,
  ];
  buffer = gl.createBuffer();
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(triangle), gl.STATIC_DRAW);
  return buffer;
}

绘制三角形

gl.viewport(0,0,canvas.width,canvas.height);
gl.clearColor(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

gl.useProgram(program);
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, triangleBuffer);
positionLoc = gl.getAttribLocation(program, 'position');
gl.enableVertexAttribArray(positionLoc);
gl.vertexAttribPointer(positionLoc, 3, gl.FLOAT, false, 4 * 3, 0);

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

绘制分为下面几步：

• 设置viewport大小，viewport表示绘制的区域，你也可以设置0，0，100，100试试看绘制区域发生了什么样的变化。
• 使用我们生成的program，gl.useProgram(program);，这表示下面的绘制操作都会使用我们的Shader。
• gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, triangleBuffer);，绑定三角形的顶点数据Buffer，表示我们要绘制这个三角形。
• 下面三行正是我刚开始说的告诉WebGL我们的顶点数据格式是什么样的。首先获取Shader中position属性在Shader中的位置，然后使用这个位置激活该属性，最后告诉WebGLposition属性有3个gl.FLOAT大小，每个顶点数据的大小也是3个gl.FLOAT = 3 * 4 个字节，position属性在每个顶点数据中的偏移是0。读者可以参照上面这句话理解gl.vertexAttribPointer(positionLoc, 3, gl.FLOAT, false, 4 * 3, 0);。
• gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);绘制三角形，gl.TRIANGLES表示我想绘制填充的三角形，0表示从第0个顶点开始绘制，3表示绘制3个顶点。WebGL会使用这3个顶点绘制出一个填充颜色的三角形。

把它们放到一起

在setupGLEnv中配置program和buffer。

function setupGLEnv(canvasID) {
  canvas = document.getElementById(canvasID);
  gl = canvas.getContext('webgl') || canvas.getContext('experimental-webgl');
  if (!gl) {
    alert('天呐！您的浏览器竟然不支持WebGL，快去更新浏览器吧。');
  }
  program = makeProgram();
  triangleBuffer = makeBuffer();
}

在render中调用绘制代码。

function render(deltaTime, elapesdTime) {
  gl.viewport(0,0,canvas.width,canvas.height);
  gl.clearColor(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

  gl.useProgram(program);
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, triangleBuffer);
  positionLoc = gl.getAttribLocation(program, 'position');
  gl.enableVertexAttribArray(positionLoc);
  gl.vertexAttribPointer(positionLoc, 3, gl.FLOAT, false, 4 * 3, 0);

  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);
}

大功告成。