图解WebGL&Three.js工作原理

去年的时候，有研究3D 可视化项目，用three.js 做了个3D可视化监控V1版本，主要参照的是
郭隆邦技术博客http://www.yanhuangxueyuan.co...
three editor https://threejs.org/editor/
form-generator https://mrhj.gitee.io/form-ge...
学习three的时候，看用户文档还是比较头疼，很多东西不知道如何查看，只能挨着找demo，找到相似效果，然后查demo代码找关键API，在去看官方docs,之前没有webgl基础，学习three可以做出相关功能，但是具体是怎么实现的，并不了解。今年打算学习下webgl，在w3cschool上面看webgl的知识，比较枯燥，没有完整代码。很多术语都看不懂，还需要一个个去搜索。今天无意翻到图解webgl&three.js工作原理，觉得写的比较好，故转载过来多学习几遍，也可以帮助更多人来了解它们的原理。好吧，我们一起来学习吧！

一、我们讲什么？

我们讲两个东西：
1、WebGL背后的工作原理是什么？
2、以Three.js为例，讲述框架在背后扮演什么样的角色？

二、我们为什么要了解原理？

我们假定你对WebGL已经有一定了解，或者用Three.js做过了一些东西，这个时候，你可能碰到了这样一些问题：
1、很多东西还是做不出来，甚至没有任何思路；
2、碰到bug无法解决，甚至没有方向；
3、性能出现问题，完全不知道如何去优化。
这个时候，我们需要了解更多。

三、先了解一个基础概念

1、什么是矩阵？
简单说来，矩阵用于坐标变换，如下图：

2、那它具体是怎么变换的呢，如下图：

3、举个实例，将坐标平移2，如下图：

如果这时候，你还是没有理解，没有关系，你只需要知道，矩阵用于坐标变换。

四、WebGL的工作原理

4.1、WebGL API

在了解一门新技术前，我们都会先看看它的开发文档或者API。
查看Canvas的绘图API，我们会发现它能画直线、矩形、圆、弧线、贝塞尔曲线。
于是，我们看了看WebGL绘图API，发现：

它只能会点、线、三角形？一定是我看错了。
没有，你没看错。

就算是这样一个复杂的模型，也是一个个三角形画出来的。

4.2、WebGL绘制流程

简单说来，WebGL绘制过程包括以下三步：
1、获取顶点坐标
2、图元装配（即画出一个个三角形）
3、光栅化（生成片元，即一个个像素点）

接下来，我们分步讲解每个步骤。

4.2.1、获取顶点坐标

顶点坐标从何而来呢？一个立方体还好说，如果是一个机器人呢？
没错，我们不会一个一个写这些坐标。
往往它来自三维软件导出，或者是框架生成，如下图：

写入缓存区是啥？
没错，为了简化流程，之前我没有介绍。
由于顶点数据往往成千上万，在获取到顶点坐标后，我们通常会将它存储在显存，即缓存区内，方便GPU更快读取。

4.2.2、图元装配

我们已经知道，图元装配就是由顶点生成一个个图元（即三角形）。那这个过程是自动完成的吗？答案是并非完全如此。
为了使我们有更高的可控性，即自由控制顶点位置，WebGL把这个权力交给了我们，这就是可编程渲染管线（不用理解）。
WebGL需要我们先处理顶点，那怎么处理呢？我们先看下图：

我们引入了一个新的名词，叫“顶点着色器”，它由opengl es编写，由javascript以字符串的形式定义并传递给GPU生成。
比如如下就是一段顶点着色器代码：

attribute vec4 position;

void main() {

gl_Position = position;

}

attribute修饰符用于声明由浏览器（javascript）传输给顶点着色器的变量值；
position即我们定义的顶点坐标；
gl_Position是一个内建的传出变量。
这段代码什么也没做，如果是绘制2d图形，没问题，但如果是绘制3d图形，即传入的顶点坐标是一个三维坐标，我们则需要转换成屏幕坐标。
比如：v(-0.5, 0.0, 1.0)转换为p(0.2, -0.4)，这个过程类似我们用相机拍照。（该转换没太看懂 屏幕坐标跟V坐标是如何转换过来的，有知道的可以解释下吗？）

4.2.2.1、顶点着色器处理流程

回到刚才的话题，顶点着色器是如何处理顶点坐标的呢？

如上图，顶点着色器会先将坐标转换完毕，然后由GPU进行图元装配，有多少顶点，这段顶点着色器程序就运行了多少次。
你可能留意到，这时候顶点着色器变为：

attribute vec4 position;

uniform mat4 matrix;

void main() {

gl_Position = position * matrix;

}

这就是应用了矩阵matrix，将三维世界坐标转换成屏幕坐标，这个矩阵叫投影矩阵，由javascript传入，至于这个matrix怎么生成，我们暂且不讨论。

4.2.3、光栅化

和图元装配类似，光栅化也是可控的。

在图元生成完毕之后，我们需要给模型“上色”，而完成这部分工作的，则是运行在GPU的“片元着色器”来完成。
它同样是一段opengl es程序，模型看起来是什么质地（颜色、漫反射贴图等）、灯光等由片元着色器来计算。
如下是一段简单的片元着色器代码：

precision mediump float`;`

void main(`void`) {

gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);

}

gl_FragColor即输出的颜色值。

4.2.3.1、片元着色器处理流程

片元着色器具体是如何控制颜色生成的呢？

如上图，顶点着色器是有多少顶点，运行了多少次，而片元着色器则是，生成多少片元（像素），运行多少次。

4.3、WebGL的完整工作流程

至此，实质上，WebGL经历了如下处理流程：
1、准备数据阶段
在这个阶段，我们需要提供顶点坐标、索引（三角形绘制顺序）、uv（决定贴图坐标）、法线（决定光照效果），以及各种矩阵（比如投影矩阵）。
其中顶点数据存储在缓存区（因为数量巨大），以修饰符attribute传递给顶点着色器；
矩阵则以修饰符uniform传递给顶点着色器。
2、生成顶点着色器
根据我们需要，由Javascript定义一段顶点着色器（opengl es）程序的字符串，生成并且编译成一段着色器程序传递给GPU。
3、图元装配
GPU根据顶点数量，挨个执行顶点着色器程序，生成顶点最终的坐标，完成坐标转换。
4、生成片元着色器
模型是什么颜色，看起来是什么质地，光照效果，阴影（流程较复杂，需要先渲染到纹理，可以先不关注），都在这个阶段处理。
5、光栅化
能过片元着色器，我们确定好了每个片元的颜色，以及根据深度缓存区判断哪些片元被挡住了，不需要渲染，最终将片元信息存储到颜色缓存区，最终完成整个渲染。