《前端图形学从入门到放弃》001 画一个三角形

这是上帝的杰作
这是面向前端的图形学课程。希望用浅显的语言为大家解释清图形学的一些概念。我们使用的前端最容易webgl,虽然不免还是要接触GLSL,别打我,这已经是最简单的!

我们开始第一节,矩阵....不还是画个三角形吧!

webgl是什么?

说人话webgl就是个工具,可以拿来画图的,它依赖于canvas,在canvas上你可以获取2d的上下文,也可以获取webgl的上下文。类似宝可梦新手村可以选蒜头王八也可以选黄皮耗子

image

所以第一步我们就创建一个canvas,并获取webgl上下文

<canvas id="canvas" width="1000" height="1000"></canvas>
<script>
var canvas = document.querySelector("#canvas");
var gl = canvas.getContext("webgl");
</script> 

开始擦滑板咯!小画家

这样我们就获取了canvas的掌控权,canvas相当于一块画布,在画图之前我们得像保证画面是干净的。
gl提供了两个api来做这件事:gl.clearColorgl.clear

gl.clearColor接受(r,g,b,a)的颜色数据,相当于给画布选一个底色;
gl.clear用来清除buffer,至于什么是buffer我们后面会讲。这里只需要知道gl在没次绘图时都可以记录颜色和深度两个buffer,再次绘制时需要清除!

顶点着色器和片段着色器

着色器是足以熄灭你学习webgl的热情的魔鬼。但理解之后你也会觉得豁然开朗!首先三维空间的物体不管多复杂都是一些集合体,所谓点动成线,线动成面,面动成体。
所以点是描述空间物体的最小单元。
image

顶点着色器就是用来处理我们传入的顶点的,在下节课我们将使用顶点着色器对三角形进行旋转,缩放,平移等操作。
而与之相对的是片段着色器,它主要处理围成图形的上色工作。
这并不是明确的定义,但有助于你的理解:顶点着色器提供裁剪空间坐标值片断着色器提供颜色值

着色器的语言与js不同是一种类c语言,就是大学计算机学的那种需要main函数的语言。所以作色器的语法总结起来就是

// 各种变量 balabala
void main() {
    //各种操作 balabala
}

上文我们说过可以把变量传入着色器,由于作色器现在我们来说下常见的变量

  • Attributes(属性):属性用来指明怎么从缓冲中获取所需数据并将它提供给顶点着色器。 例如你可能在缓冲中用三个32位的浮点型数据存储一个位置值。
  • buffer(缓冲):缓冲是发送到GPU的一些二进制数据序列,通常情况下缓冲数据包括位置,法向量,纹理坐标,顶点颜色值等。 你可以存储任何数据。
  • Uniforms(全局变量):全局变量在着色程序运行前赋值,在运行过程中全局有效。
  • Textures(纹理):纹理是一个数据序列,可以在着色程序运行中随意读取其中的数据。大多数情况我们不会自己写材质,就直接用纹理了。
  • Varyings(可变量):可变量是一种顶点着色器给片断着色器传值的方式,依照渲染的图元是点, 线还是三角形,顶点着色器中设置的可变量会在片断着色器运行中获取不同的插值。

下面我们来写一个最简单的顶点作色器

gl接受一个字符串的作色器代码,你可以使用数组或任意形式提供这个字符串,我个人通常写在一个script标签中:

<script id="vertex-shader-2d" type="notjs">
 // 一个属性变量,将会从缓冲中获取数据
    attribute vec2 vertPosition;
    attribute vec3 vertColor;
    varying vec3 fragColor;
    // 所有着色器都有一个main方法
    void main() {
      fragColor = vertColor;
      // gl_Position 是一个顶点着色器主要设置的变量
      gl_Position = vec4(vertPosition,0.0,1.0);
    }
</script>

这里我们定义了两个属性vertPositionvertColor用来存储传入的位置与颜色信息,可变量 fragColor会继续传递给片段着色器使用。
内置变量gl_Position的值是四维向量vec4(x,y,z,1.0),前三个参数表示顶点的xyz坐标值,第四个参数是浮点数1.0
由于案例中我们只需要绘制一个平面内的三角形,所以z值被我们设为0。
与之相对我们也能写出片段着色器:

<script id="fragment-shader-2d" type="notjs">
    // 片断着色器没有默认精度,所以我们需要设置一个精度
    // mediump是一个不错的默认值,代表“medium precision”(中等精度)
    precision mediump float;
    varying vec3 fragColor;
    void main() {
      // gl_FragColor是一个片断着色器主要设置的变量
      gl_FragColor = vec4(fragColor, 1.0); // 
    }
</script>

使用作色器

webgl让初学者窝火的另一个原因是,他的编程逻辑很像底层语言,而非javascript,没有很多封装。做一件小事往往要执行多个方法。例如我们下面要使用作色器,写的这段语法:

// 我们先创建两个着色器
var vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
var fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
// 这两个详单于作色器的容器,但还未被填充内容。所以想在需要获取我们前面写好的顶点作色器和片段作色器
var vertexShaderText = document.querySelector("#vertex-shader-2d").text;
var fragmentShaderText = document.querySelector("#fragment-shader-2d").text;
// 之后,我们要把两者关联起来
gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderText);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderText);
// 最后再编译着色器,才能供我们使用!
gl.compileShader(vertexShader);
gl.compileShader(fragmentShader);

内心戏:three.js真乃好发明!

这么还不能用,program上场!

写完上面的代码,其实着色器还是个半成品!

WebGL在电脑的GPU中运行。因此你需要使用能够在GPU上运行的代码。这样的代码需要提供成对的方法。每对方法中一个叫顶点着色器,另一个叫片断着色器,这些事你已经知道了!
而把他两组合起来就是program!

var program = gl.createProgram();
// 我们需要先创建program
// 再把之前申明好的作色器附加到program上
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
// 然后我们将这两个着色器 _link_(链接)到一个 _program_(着色程序)
gl.linkProgram(program);
// 检查 WebGLProgram 程序是否链接成功的同时还会检查其是否能在当前的 WebGL 中使用。
gl.validateProgram(program);

这样所有的前置工作都已经做好了,下面可以开始画三角形了。心累

创建buffer

前面我们说过在webgl中顶点和颜色信息被存在buffer上。
这里我们就偷懒把他们写在一个数组里:

var triangleVertices = 
      [ // X, Y,       R, G, B
        -0.5, -0.5,    1.0, 0.0, 0.0,
        -0.5, 0.5,     1.0, 1.0, 0.0,
        0.5, -0.5,     1.0, 1.0, 0.0,
      ];

上文我们知道着色器需要调用createShader方法创建,buffer自然如法炮制:

var triangleVertexBufferObject = gl.createBuffer();
// 绑定buffer数据类型
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, triangleVertexBufferObject);
// 关联变量与数据
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(triangleVertices), gl.STATIC_DRAW);
// 虽然我们拥有了顶点和颜色数据的数组,但无法直接用。
// WebGL需要强类型数据,所以使用new Float32Array(triangleVertices)创建了32位浮点型数据序列
// 最后一个参数gl.STATIC_DRAW是提示WebGL我们将怎么使用这些数据。

还是没用!

但此时buffer上的数据和着色器上的数据还未对应,因此需要吧着色器的属性取出。

var positionAttribLocation = gl.getAttribLocation(program, 'vertPosition');
var colorAttribLocation = gl.getAttribLocation(program, 'vertColor');
// 并从triangleVertices中复制数据到序列中,然后gl.bufferData复制这些数据到GPU的Buffer对象上。
// 由于我们的顶点数据和颜色数据写在了一起,我们需要告诉webgl哪些是顶点哪些是颜色
gl.vertexAttribPointer(
        positionAttribLocation, // 上文获取的本地属性
        2, // 几个值能表示这个属性,这里是坐标只需要2个值x,y
        gl.FLOAT, // 类型
        gl.FALSE,
        5 * Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT, // 步幅
        0 // 起始点
      );
      gl.vertexAttribPointer(
        colorAttribLocation, 
        3, // 这里是颜色需要3个值r,g,b
        gl.FLOAT, 
        gl.FALSE,
        5 * Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 
        2 * Float32Array.BYTES_PER_ELEMENT 
      );
// 启动属性

gl.enableVertexAttribArray(positionAttribLocation);
gl.enableVertexAttribArray(colorAttribLocation);
gl.useProgram(program);
// gl.useProgram就与之前讲到的gl.bindBuffer相似,设置当前使用的着色程序。

绘制

至此我们就大功告成了,最后一步就是绘制,由于我们使用的是三角形面,一个三角形仅仅需要3个顶点,所以最终执行

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

大功告成
image

var triangleVertices = 
     [ // X, Y,       R, G, B
       -0.5, -0.5,    1.0, 0.0, 0.0,
       -0.5, 0.5,  1.0, .0, 0.0,
       0.5, -0.5,   1.0, .0, 0.0,
       
     ];

image

如果想要绘制正方形,只要多加一组点即可。把triangleVertices改为boxVertices

var boxVertices = 
      [ // X, Y,       R, G, B
        -0.5, -0.5,    1.0, 0.0, 0.0,
        -0.5, 0.5,  1.0, 1.0, 0.0,
        0.5, -0.5,   1.0, 1.0, 0.0,
        -0.5, 0.5,    1.0, 1.0, 0.0,
        0.5, 0.5,  0.0, 1.0, 0.0,
        0.5, -0.5,   1.0, 1.0, 0.0
      ];

但此时绘制的点就不再是3个,而是6个,因此修改绘制方法为:
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);

下期预告

这期作为一个热身,熟悉一下webgl的api,下期我们将开启一个比较硬核的话题矩阵

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