webgl基础：着色器基础

前言：(十分重要)

上节文章中，跟大家分享了一下如何入门 webgl 并在画布上绘制一个点。

诚然，我们看到的流程是十分繁琐的。

这里想说明的一点是，webgl 基础很类似于 JavaScript 基础。

在学习 JavaScript 的时候如果直接上手 jquery、vue、react、angular…… 想必之后的天花板会非常非常低。

因为学习曲线决定了上手难度，而基础决定了天花板高度。

学习 webgl 可能在前期会比较麻烦，也会有很多难以理解的知识点。像：光线、3d坐标、矩阵变换、矩阵处理（乘积、点积、归一化等操作）、向量、精度、纹理、渲染管线……

但是之后也会慢慢接触到一些类库，也会接触到一些3d的框架。这些框架和类库会极大的提升开发效率，并降低开发难度。

但是还是那句话，无论如何，基础都是重中之重。

好了，闲言少叙吧，进入今天的分享环节。

1. 渲染管线

1.1 基础内容介绍

webgl 的渲染依赖底层 GPU 的渲染能力。所以 webgl 渲染流程和 GPU 内部的渲染管线是相符的。

渲染管线的作用是将3D模型转换为2维图像。

在早期，渲染管线是不可编程的，叫做固定渲染管线，工作的细节流程已经固定，修改的话需要调整一些参数。

现代的 GPU 所包含的渲染管线为可编程渲染管线，可以通过编程 GLSL，着色器语言 来控制一些渲染阶段的细节。

1.2 渲染过程

（心理承受弱的同学可跳过此小节）

webgl 的渲染过程分为以下几项：

顶点着色器
图片装配
光栅化
片元着色器
逐片段操作（本文不会分享此内容）
- 裁剪测试
- 多重采样操作
- 背面剔除
- 模板测试
- 深度测试
- 融合
- 缓存

这里一系列的名词可能会吓到很多同学，千万别被名词吓到哟，接下来的过程中会详细说明。也希望通过本文可以让大家理解基本的渲染流程。附图解一张，助大家理解。

渲染流程.png

2. 顶点着色器

顶点着色器的作用是通过计算获得最终的顶点坐标，如：

A --> () => {…………} ==> A1：坐标 A 经过一系列的计算，最终获取坐标 A1
B --> () => {…………} ==> B1：坐标 B 经过一系列的计算，最终获取坐标 B1
…………

顶点着色器计算出来的坐标将会渲染到最终的显示画布上。

此外，顶点着色器还会计算如下内容：颜色、纹理坐标、顶点尺寸……

在顶点着色器阶段通常会涉及到三个类型的变量。

attribute：针对单一顶点生效。
- 通常用于：顶点位置、顶点大小等内容
uniform：影响所有顶点
- 通常用于：旋转、平移、缩放等位置变换、颜色处理等内容。
varying：可通过顶点着色器传入到片元着色器。

像 attribute 这个变量之前我们就用到过，用来设置了顶点的位置和大小。回顾一下

// 顶点着色器
const VERTEX_SHADER = '' +
      'void main(){' +
      ' gl_Position = vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);' +
      ' gl_PointSize = 15.0;' +
      '}' +
      ''

// 顶点着色器
const FRAGMENT_SHADER = '' +
      'void main() {' +
      ' gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);' +
      '}' +
      ''

其他的两个变量暂时没有用到，接下来的内容里会用到这两种类型的变量。敬请期待

3. 图元装配和光栅化

什么是图元？

官方解释：

描述各种图形元素的函数叫做图元，描述几何元素的称为几何图元（点，线段或多边形）。点和线是最简单的几何图元

经过顶点着色器计算之后的坐标会被组装成组合图元。

接下来通过一组图解来看看渲染器如何进行图元装配和光栅化

通俗解释

图元就是一个点、一条线段、或者是一个多边形。

3.1 图元装配

什么是图元装配呢？
简单理解就是说将我们设置的顶点、颜色、纹理等内容组装称为一个可渲染的多边形的过程。

注意：

如何组装取决于 gl.drawArrays(type, count) 中的 type 类型，本文最后有详细的内容。

在之前的文章里，我们就使用 gl.POINTS 来绘制了一个点。

3.2 光栅化

片元：二维图象上每个点都包含了颜色、深度和纹理数据。这样一个点称为片元

光栅化可以简单理解为以下内容：

通过图元装配生成的多边形，计算像素并填充，剔除不可见的部分，剪裁掉不在可视范围内的部分。最终生成可见的带有颜色数据的图形并绘制。

光栅化流程图解：

光栅化.png

剔除和剪裁

剔除：举一个日常生活中的栗子来说明吧。
- 在日常生活中，对于不透明物体，背面对于观察者来说是不可见的。同样，在 webgl 中，我们也可以设定物体的背面不可见，那么在渲染过程中，就会将不可见的部分剔除，不参与绘制。节省渲染开销。
剪裁：同样举例子来说明
- 日常生活中不论是在看电视还是观察物体，都会有一个可视范围，在可视范围之外的事物我们是看不到的。类似的，图形生成后，有的部分可能位于可视范围之外，这一部分会被剪裁掉，不参与绘制。以此来提高性能。

4. 片元着色器

接收光栅化阶段生成的片元，在光栅化阶段中，已经计算出每个片元的颜色信息，这一阶段会将片元做逐片元挑选的操作，处理过的片元会继续向后面的阶段传递。

逐片元挑选

通过模板测试和深度测试来确定片元是否要显示，测试过程中会丢弃掉部分无用的片元内容，然后生成可绘制的二维图像绘制并显示。

深度测试：就是对 z 轴的值做测试，值比较小的片元内容会覆盖值比较大的。（类似于近处的物体会遮挡远处物体）。
模板测试：模拟观察者的观察行为，可以接为镜像观察。标记所有镜像中出现的片元，最后只绘制有标记的内容。

5. 实例分析

首先我们来看下上篇文章中绘制一个点的代码。绘制一个点

// 顶点着色器
const VERTEX_SHADER = '' +
      'void main(){' +
      ' gl_Position = vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);' +
      ' gl_PointSize = 15.0;' +
      '}' +
      ''

// 片元着色器
const FRAGMENT_SHADER = '' +
      'void main() {' +
      ' gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);' +
      '}' +
      ''

// 创建顶点和片元着色器
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);

// 将顶点着色器代码添加到顶点着色器中
gl.shaderSource(vertexShader, VERTEX_SHADER);

// 将片元着色器代码添加到片元着色器中
gl.shaderSource(fragmentShader, FRAGMENT_SHADER);

// 添加完成后，需要编译着色器
gl.compileShader(vertexShader);
gl.compileShader(fragmentShader);

// 创建程序对象
const program = gl.createProgram();

// 将着色器添加到程序对象中
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);

// 关联程序对象
gl.linkProgram(program);
// 使用程序对象
gl.useProgram(program);

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

分析：

首先创建了两个变量 VERTEX_SHADER 顶点着色器 和 FRAGMENT_SHADER 片元着色器。这两个内容会通过下面的代码添加到顶点着色器和片元着色器中。
之后通过 gl.createShader() 创建了两个着色器。传入不同的参数即可创建不同的着色器。创建并关联着色器的步骤比较复杂。当你熟悉这个过程之后，可以将这个过程的代码封装起来作为备用。
接下来，通过 将着色器代码添加到着色器中、编辑着色器、创建程序对象、将着色器添加到程序对象中、关联程序对象、使用程序对象 这一系列的步骤初始化着色器和程序对象。
当所有的前置工作准备就绪之后，就可以调用 gl.drawArrays() 方法来绘制想要的图形。

5.1 gl.drawArrays(type, first, count)

��1. `type` 代表要绘制的图形形状，值有以下几种：

gl.POINTS: 要绘制一系列的点

gl.LINES: 要绘制了一系列未连接直线段(单独行)

gl.LINE_STRIP: 要绘制一系列连接的线段

**gl.LINE_LOOP **: 要绘制一系列连接的线段。它还连接第一个和最后一个顶点，以形成一个环

gl.TRIANGLES: 一系列单独的三角形

gl.TRIANGLE_STRIP: 绘制一个三角带

gl.TRIANGLE_FAN: 绘制一个扇形（三角扇）

2. `first` 代表从哪个点开始

3. `count` 代表需要使用几个点

栗子：

gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1)// 绘制一个点，从第1个点开始，每次使用一个点。

其他的形状可以自己尝试…………会有意想不到的效果。

本节内容只介绍了着色器的一部分，相对于整体的着色器知识还相差很多，但是这些知识入门是绰绰有余了，更深层次的内容只有接触的多了才能掌握的比较熟练，现在做分享反而有画蛇添足的感觉。

好了，今天的分享就到这里了，Bye~