一篇文章理清WebGL绘制流程

本文梳理了WebGL中从零到渲染出一个简单几何图形的主要流程。帮助一些刚接触WebGL的玩家简单整理下在WebGL中渲染几何图形的过程。

目录

1. 初始化WebGL环境
2. 顶点着色器（Vertex Shader）与片元着色器（Fragment Shader）
3. 顶点数组对象（VBO）、索引数值对象（IBO）
4. 绘制流程
5. 总结

初始化WebGL环境

关于HTML5、标签、WebGL的一些相关知识可以去MDN中查看，里面还有一些相关的学习干货，初始化WebGL环境可以参考初识WebGL，我们这里按下不表。

顶点着色器与片元着色器

WebGL图形渲染管线

介绍着色器之前，我们先过一下WebGL的图形管线：

WebGL Rendering Pipeline Overview

我们可以把WebGL的渲染管线当做一条车间里的流水线，这个车间的原材料是一些图形相关的数据（包括顶点坐标，顶点颜色等），这个车间生产的产品是我们屏幕上看到的各种图形。

图中绿色的两个方块就是我们要说的顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）。

我们来一步一步简单介绍下这个条流水线：
图中最上面的蓝色方块Attribute可以看做是一条水管，一端连接顶点数据（Vertex Buffer Objects），另一端连接顶点着色器，这条水管的作用是把顶点数据输送给顶点着色器处理。紧接着，顶点着色器把处理过的顶点数据交给片元着色器处理，最后经过片元着色器处理过的数据将被输送到Framebuffer中去，为了便于理解，我们暂且、姑且可以把这个Framebuffer当做屏幕，而这最后的步骤，也就是把这些处理过的数据以图形的方式显示到屏幕上，至此，渲染管线也就完成了他的使命。

在这条流水线上，写代码的我们，扮演着的是流水线上的工人，所以我们做的事情是拿来数据，然后确保数据在这条流水线上，按照既定的流程，最终可以变成我们想要的图形。

顶点着色器与片元着色器

由上所述，WebGL编程中，我们需要为渲染流水线构建好顶点着色器和片元着色器。

顶点着色器的功能是对传进来的顶点数据通过矩阵进行换换位置、计算照明方程式以生成逐顶点的颜色以及生成或者变换纹理坐标。
片元着色器则是对即将送到屏幕上的像素内容进行更进一步的处理，包括一些特殊效果的定制等。

这两者的内容会在之后的学习过程中加以说明，本文只需对它们的作用有个大致的了解即可，更多的内容可以参考《OpenGL编程指南》或者是《OpenGL ES 3.0编程指南》，我们这里重点只在于简单整理下WebGL的渲染流程。

创建及使用着色器（Shader）

简要梳理下shader的创建过程。shader的作用前文已经介绍过了，我们可以把shader当做一个程序，顶点数据输入shader，输出经过shader处理过的数据，用于之后的渲染流程。

创建和使用shader的过程分为以下步骤：

1. 首先创建并编译好着色器对象
2. 将这些着色器对象链接为一个着色器程序。

对于着色器对象：

1. 创建一个着色器对象
2. 将着色器源代码编译为对象
3. 验证着色器的编译是否成功

创建着色器代码如下：

// 创建一个着色器对象
var vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);

// 指定着色器源代码
gl.shaderSource(vertexShader , vertexshaderSourceCode);

// 将着色器源代码编译为对象
gl.compileShader(vertexShader );

// 验证着色器的编译是否成功
if (!gl.getShaderParameter(vertexShader , gl.COMPILE_STATUS)) {
    alert(gl.getShaderInfoLog(vertexShader ));
    return;
}

// 以上的代码创建了一个顶点着色器，对于片元着色器
var fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
// 以下代码类似
// code gose here ...

创建完着色器对象后，我们得到了两个着色器 vertexShader 和 fragmentShader

对于着色器程序：

1. 创建一个着色器程序
2. 将着色器对象关联到着色器程序
3. 连接着色器程序
4. 判断着色器的链接过程是否成功完成
5. 使用着色器来处理顶点和片元

创建着色器程序代码如下：

// 创建一个着色器程序
var program = gl.createProgram();

// 将着色器对象关联到着色器程序
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);

// 连接着色器程序
gl.linkProgram(program);

// 判断着色器的链接过程是否成功完成
if (!gl.getProgramParameter(prg, gl.LINK_STATUS)) {
    alert("Could not initialise shaders");
}

//  使用着色器来处理顶点和片元
gl.useProgram(program);

在大致了解过这条渲染流水线后，我们接着将要介绍下顶点数组对象和索引数组对象。

顶点数组对象（VBO）、索引数值对象（IBO）

顶点数组对象（VBO）

顶点数组对象（VBO）对应着图中最上方的红色的方块。顶点数组对象包含着WebGL要渲染的图形的数据。可以看成是流水线上的原材料。在WebGL的渲染过程中，这些图形的数据往往通过顶点进行储存和输送，顶点数组对象包含的数据一般包括顶点位置信息、顶点位置上的法线向量、纹理坐标等。

索引数组对象（IBO）

在图形的绘制过程中，我们把每3个顶点绘制成一个三角形，即图形学中“面”（surface）的含义，而后通过成千上万的面组成了我们空间中的三维模型。索引数组对象（IBO）的作用是告诉WebGL要通过什么样的顺序来将我们传入的顶点数据连接成面。为了便于理解，我们举个栗子:

绘制一个梯形

当我们按照如图所示的方式绘制一个梯形时，我们弄来了5个顶点(0, 0)、(10, 10)、(20, 0)、(30, 10)、(40, 0)分别对应从0-4的五个索引。而当我们绘制图形时，定义的索引数组[0, 2, 1, 1, 2, 3, 2, 4, 3]的意思就是告诉WebGL，把索引为0、2、1的三个顶点组成一个三角形，索引为1、2、3的三个顶点组成另一个三角形，索引为2、4、3的顶点也组成一个三角形（可参照图示）。
索引数组对象的作用就是保存这些索引数组的数据，用以传输给WebGL渲染管线。

创建顶点数组对象&索引数组对象

WebGL状态机

在介绍如何创建这两个对象前，我们要先知道，WebGL是个状态机。我们可以这么理解，假设WebGL中的属性P的值为1，你在某一次操作中，把P的值设置成了2，那么在你下一次设置P的值之前，P的值永远是2。

更直观一点的表述，你可以想象WebGL像KFC套餐，有个套餐A，里面包含一个香辣鸡腿堡，一杯百事可乐。你每次点A套餐，都会得到一个香辣鸡腿堡，一杯百事可乐，而你在每次用餐的过程中，吃的汉堡都是香辣鸡腿堡，喝的可乐都是百事可乐。直到某一天，KFC把A套餐的内容改成了一个奥尔良烤鸡腿堡，一杯可口可乐。在那天之后，同样是A套餐，但是你吃的汉堡就变成了奥尔良烤鸡腿堡，喝的可乐变成了可口可乐，除非KFC对A套餐的内容再进行调整，不然点A套餐的你只能喝上一辈子的可口可乐（本人比较喜欢百事可乐）。

所以你可以把WebGL上下文想象成是A套餐，WebGL中的一些属性选项的对应的是汉堡、可乐，而香辣鸡腿堡、奥尔良烤鸡腿堡、百事可乐、可口可乐对应的是属性当前的值。类比一下。

顶点数组对象的创建

接下来插播一段代码：

var vertices = [
-50.0, 50.0, 0.0,
-50.0,-50.0, 0.0,
50.0,-50.0, 0.0,
50.0, 50.0, 0.0
];

// 调用gl.createBuffer()创建了一个块内存空间，并让 vertexBufferObject  变量指向这块空间
var vertexBufferObject = gl.createBuffer();

// 把WebGL中用于绘制的数组数据的属性(ARRAY_BUFFER)的值的地址指向上文我们创建的 vertexBuffer 内存空间。
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBufferObject );

// bufferData 函数对 ARRAY_BUFFER 属性对应的空间填充值
// WebGL 状态机概念出场！
// 由于我们在上一个语句中，修改了 ARRAY_BUFFER 的值，由于状态机的性质，所以我们调用该函数进行传值时，
// 传入的值是会给此时gl中的 ARRAY_BUFFER 属性指向的空间，也就是
 vertexBufferObject 的内存空间。
// 此处调用把 vertices 中的顶点数据传入了 vertexBufferObject 对象
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);

// 传值完毕，恢复 ARRAY_BUFFER 的值为空
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);

所以这段代码就创建了一个名为 vertexBufferObject 的顶点数组对象。代码中具体的API可以查阅相关的资料。

索引数组对象的创建

索引数组对象的创建与顶点数组对象的创建大同小异

var indices = [
0, 2, 1, 
1, 2, 3
];
var indicesBufferObject = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indicesBufferObject );
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new Uint16Array(indices),
gl.STATIC_DRAW);
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null);

这里需要注意的是，索引数组对象对应的属性为ELEMENT_ARRAY_BUFFER。而传入的数组类型是Uint16Array。

绘制流程

最后，我们要把前面提到的内容按照渲染管线的图示结合起来。再看一眼我们的地图：

WebGL Rendering Pipeline Overview

好，上代码：

// 按照图示来看，要绘制一个图形，首先我们需要原材料：
// 1. 一个顶点数组对象（VBO），用于存储相关的顶点数据, 
// 同时需要一个表示顶点组合顺序的索引数组对象（IBO）。

// 2. 需要两个着色器（vertex shader 及 fragment shader）和一个着色器程序，用来保证管线的顺利进行。
// 好了，开工！

// 先来VBO和IBO
var vertices =  [
    -0.5,0.5,0.0, 
    -0.5,-0.5,0.0,
    0.5,-0.5,0.0, 
    0.5,0.5,0.0
];  

var indices = [3,2,1,3,1,0];

// 创建VBO
var vertexBufferObj = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBufferObj );
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);

// 创建IBO
var indexBufferObj = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBufferObj );
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new Uint16Array(indices), gl.STATIC_DRAW);
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, null);

// 创建顶点着色器
var vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader , vertexshaderSourceCode);
gl.compileShader(vertexShader );
// 验证着色器的编译是否成功
if (!gl.getShaderParameter(vertexShader , gl.COMPILE_STATUS)) {
    alert(gl.getShaderInfoLog(vertexShader ));
}

// 同理创建片元着色器
var fragmentShader= gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
/* so many balabalabala... */

// 创建着色器程序
var program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
// 判断着色器的链接过程是否成功完成
if (!gl.getProgramParameter(prg, gl.LINK_STATUS)) {
    alert("Could not initialise shaders");
}

目前为止，我们已经准备好了绘制图形的所有原料了，接下里就是如何通过WebGL绘制出图形了。

// 先获取顶点数据进入着色器的入口（后文会讲解）
program.vertexPosition = gl.getAttribLocation(program, "aVertexPosition");

// 绘制场景的函数
function drawScene(){
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
    
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
    gl.viewport(0, 0, c_width, c_height);

    // 指定绘制时使用的顶点数据
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBufferObj );
    // 一下这两行代码对应的作用是将顶点数据读入着色器中，后文会加以解释
    gl.vertexAttribPointer(program.aVertexPosition, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
    gl.enableVertexAttribArray(program.vertexPosition);

    // 指定绘制时使用的索引数组
    gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBufferObj);
    // 以给定的形式绘制图形
    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, indices.length, gl.UNSIGNED_SHORT,0);
}

这样我们就实现了图形的绘制。
由于本文重点在于梳理绘制流程，并没有深入介绍着色器相关的内容，所以对于gl.vertexAttribPointer函数和gl.enableVertexAttribArray会有疑惑。
为了解释一下这个问题，我们先看一段顶点着色器的代码

其中代码中的aVertexPosition表示的是顶点数据从这个变量进入着色器。

就像我们前文比喻的那样，这个aVertexPosition就像一端连接顶点数据（Vertex Buffer Objects），另一端连接顶点着色器的水管的开关。

我们执行program.vertexPosition = gl.getAttribLocation(program, "aVertexPosition");时，相当于把这个开关的位置记录在program.vertexPosition上面。

以下代码：

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBufferObj );
gl.vertexAttribPointer(prg.vertexPosition, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(program.vertexPosition);

bindBuffer指定当前WebGL绘制的数据为vertexBufferObj中的顶点数据。

vertexAttribPointer函数则把顶点数据通过水管接到着色器"aVertexPosition"的位置上，也就是我们记录下来的program.vertexPosition的位置。

gl.enableVertexAttribArray(program.vertexPosition)则是最后一步把水管的阀门打开，让顶点数据流入着色器。

总结

本文主要目的是简单梳理了下WebGL绘制图形的大致编程流程，并没有做很深入的讲解。WebGL基于OpenGL ES 2.0，而早先的OpenGL用的都是固定的渲染管线，之前学OpenGL一开始都是glBegin，glEnd，glVertex2d啥的一堆东西，精简版的OpenGL ES一上来就抛弃了之前固定渲染管线的东西，使用了可编程的渲染管线，一上来就要求要编写Shader，所以绘制一个图形就变得比较繁琐一点。于是有了这篇笔记，以供刚开始学习WebGL的玩家们参考。
对于文中的一些API并没有进入详细的讲解，需要的同学可以查阅相关的资料书籍。

相关资料

《OpenGL编程指南》
《OpenGL ES 3.0编程指南》
《WebGL Beginner's Guide》