一起学 WebGL：绘制图片

大家好，我是前端西瓜哥。之前讲解了如何用 WebGL 绘制红色三角形，今天西瓜哥带大家来学习如何将图片绘制到画布上的技术：纹理映射（texture mapping）。

本文为系列文章中的一篇，请先阅读：

《一起学 WebGL：绘制三角形》

纹理映射会根据纹理图像，将光栅化后的每个片元（像素点）设置对应颜色值。这些像素也称为 纹素（texels, texture elements）。

纹理坐标

纹理图像的坐标系统是二维的，为和世界坐标的 x、y 区分，WebGL 对应使用 s、t 来表示。

目前纹理坐标更常用的命名是 uv。因为历史原因，WebGL 还是用的 st。

和世界坐标系类似，宽高使用的是一个比例值，即真实像素位置除以宽高后得到的比例。

着色器

const vertexShaderSrc = `
attribute vec4 a_Position;
attribute vec2 a_TexCoord;
varying vec2 v_TexCoord;
void main() {
 gl_Position = a_Position;
 v_TexCoord = a_TexCoord;
}
`;

const fragmentShaderSrc = `
precision highp float;
uniform sampler2D u_Sampler;
varying vec2 v_TexCoord;
void main() {
  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);
}
`;

相比绘制单色三角形，我们在顶点着色器加了 a_TexCoord，记录顶点对应的纹理坐标，因为纹理坐标只有两个维度，所以用的 vec2 属性。

并命名一个 v_TexCoord 的 varying 变量，用于将 a_TexCoord 的值传递给片元着色器。

片元着色器，声明了一个接收同名 v_TexCoord 变量 接收传过来的纹理坐标。

u_Sampler 是 sampler2D 类型，是一个二维纹理采样器，指定着色器提取颜色的纹理对象。texture2D(u_Sampler, v_TexCoord) 表示从 u_Sampler 纹理采样器中的某个位置中取出颜色。

传入顶点数据

将顶点位置和纹理位置对应好，放在一个缓冲区中，并设置读取规则。

先读第一个点的位置，然后是第一个点对应的纹理坐标。然后第二个点…

// 顶点坐标，纹理坐标
const verticesTexCoords = new Float32Array([
  // 左上点。左边两个是顶点，右边两个是纹理
  -0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
  // 左下
  -0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
  // 右上
  0.5, 0.5, 1.0, 1.0,
  // 右下
  0.5, -0.5, 1.0, 0.0,
]);
const FSIZE = verticesTexCoords.BYTES_PER_ELEMENT;

// 创建缓存对象
const verticesTexBuffer = gl.createBuffer();
// 绑定缓存对象到上下文
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexBuffer);
// 向缓存区写入数据
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexCoords, gl.STATIC_DRAW);

// 获取 a_Position 变量地址
const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
// 将缓冲区对象分配给 a_Position 变量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, 0);
// 允许访问缓存区
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

// 传入纹理坐标位置信息
const a_TexCoord = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_TexCoord');
gl.vertexAttribPointer(a_TexCoord, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, FSIZE * 2);
gl.enableVertexAttribArray(a_TexCoord);

纹理对象与图片绑定

/***** 纹理对象 *****/
const texture = gl.createTexture(); // 创建纹理对象
const u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler'); // 获取 u_Sampler 地址

const img = new Image();
img.onload = () => {
  gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1); // 翻转纹理图像的 y 轴
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0); // 开启 0 号纹理单元
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture); // 将我们的纹理对象绑定到 gl.TEXTURE_2D，类似绑定缓冲区对象

  // 配置纹理参数
  // 这里表示在 “绘制范围小于纹理尺寸” 时，使用 “加权平均” 算法缩小
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  
  // 将纹理图像分配给纹理对象
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, img);

  // 使用 0 号纹理单元
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

  /****** 绘制 ******/
  // 清空画布，并指定颜色
  gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  // 绘制矩形，这里提供了 4 个点
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
};

img.src = './fe_watermelon.jpg';

创建纹理对象，然后在图片加载完之后配置到纹理对象上。

WebGL 下有多个纹理纹理单元（比如 gl.TEXTURE0、gl.TEXTURE5 之类），至少有 8 个。这些单元可以保存多个我们创建好的纹理图片，在需要的时候进行切换。

激活一个纹理单元：

gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);

激活后，我们用过 gl.TEXTURE_2D 来访问这个纹理图像，进行纹理绑定和参数配置。

这里我们需要反转纹理图像的 y 轴线，因为图片和纹理坐标系不一样。我实在是蚌不住了。

gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1); // 翻转纹理图像的 y 轴

gl.texImage2D 用于将将纹理图像分配给纹理对象。

gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, img);

gl.RGB 表示纹素的格式为 RGB，此外还有 gl.RGBA、gl.LUMINANCE（流明） 等。gl.UNSIGNED_BYTE 表示纹理的数据类型。

将纹理单元绑定到 u_Sampler 变量上。

gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

最后就是调用 el.drawArrays 方法进行绘制。

图片的注意事项

关于图片，有几点需要注意。

首先是 图片不要跨域，因为安全限制，Canvas 是不能将跨域的图片绘制上去的，会报错。

然后是 图片的尺寸需要是 2 的幂次方，比如 16、32、64、128、256、512。

尺寸不对的图片需要留白补全到 2 的幂次方，然后在设置纹理坐标时指定对应真正宽高比例。

完整源码

/** @type {HTMLCanvasElement} */
const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');

const vertexShaderSrc = `
attribute vec4 a_Position;
attribute vec2 a_TexCoord;
varying vec2 v_TexCoord;
void main() {
 gl_Position = a_Position;
 v_TexCoord = a_TexCoord;
}
`;

const fragmentShaderSrc = `
precision highp float;
uniform sampler2D u_Sampler;
varying vec2 v_TexCoord;
void main() {
  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);
}
`;

/**** 渲染器生成处理 ****/
// 创建顶点渲染器
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSrc);
gl.compileShader(vertexShader);
// 创建片元渲染器
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSrc);
gl.compileShader(fragmentShader);
// 程序对象
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);
gl.program = program;

// 顶点坐标，纹理坐标
const verticesTexCoords = new Float32Array([
  // 左上点。左边两个是顶点，右边两个是纹理
  -0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
  // 左下
  -0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
  // 右上
  0.5, 0.5, 1.0, 1.0,
  // 右下
  0.5, -0.5, 1.0, 0.0,
]);
const FSIZE = verticesTexCoords.BYTES_PER_ELEMENT;

// 创建缓存对象
const verticesTexBuffer = gl.createBuffer();
// 绑定缓存对象到上下文
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexBuffer);
// 向缓存区写入数据
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexCoords, gl.STATIC_DRAW);

// 获取 a_Position 变量地址
const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
// 将缓冲区对象分配给 a_Position 变量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, 0);
// 允许访问缓存区
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

// 传入纹理坐标位置信息
const a_TexCoord = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_TexCoord');
gl.vertexAttribPointer(a_TexCoord, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, FSIZE * 2);
gl.enableVertexAttribArray(a_TexCoord);

/***** 纹理对象 *****/
const texture = gl.createTexture(); // 创建纹理对象
const u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler'); // 获取 u_Sampler 地址

// 记载图片
const img = new Image();
img.onload = () => {
  gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1); // 翻转纹理图像的 y 轴
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0); // 开启 0 号纹理单元
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture); // 将我们的材质对象绑定上去

  // 配置纹理参数
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  // 配置纹理图像
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, img);
	// 绑定 0 号纹理单元
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

  /****** 绘制 ******/
  // 清空画布，并指定颜色
  gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  // 绘制矩形，这里提供了 4 个点
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
};

img.src = './fe_watermelon.jpg';

绘制结果：

填充方式

补充一下设置图片的几种方式。

gl.texParameteri(target, pname, param);

上面表示，在 pname 场景下，使用 param 策略。比如

gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);

表示在 “绘制范围小于纹理尺寸”（gl.TEXTURE_MIN_FILTER） 场景下，使用 “加权平均”（gl.LINEAR） 算法进行缩小。

参数 pname 有下面几个几个值可选择：

• gl.TEXTURE_MAG_FILTER：纹理放大。对应场景为纹理尺寸小于要绘制区域，需要将纹理放大。默认值为 gl.LINEAR
• gl.TEXTURE_MIN_FILTER：纹理缩小。默认值为 gl.NEAREST_MIPMAP_LINEAR。
• gl.TEXTURE_WRAP_S：纹理水平填充。默认为 gl.REPEAT。
• gl.TEXTURE_WRAP_T：纹理垂直填充。默认为 gl.REPEAT。

参数 param 的一些可选值：

• gl.LINEAR：使用 “加权平均” 缩放；
• gl.NEAREST：使用 “曼哈顿距离” 缩放；
• gl.REPEAT：重复平铺；
• gl.MIRRORED_REPEAT：镜像重复平铺：
• gl.CLAMP_TO_EDGE：使用纹理图像的边缘进行延伸填充；

看个势力，将绘制区域设置为图片的 2.5 倍，并设置填充方式。

// 顶点坐标，纹理坐标
const verticesTexCoords = new Float32Array([
  // 左上点。左边两个是顶点，右边两个是纹理
  -0.5, 0.5, 0.0, 2.5,
  // 左下
  -0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
  // 右上
  0.5, 0.5, 2.5, 2.5,
  // 右下
  0.5, -0.5, 2.5, 0.0,
]);

// ...
// 配置纹理参数
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
// 边缘像素平铺
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE); 
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);

得到了一个很有意思的结果：

结尾

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