WebGL笔记（一）着色器和缓冲区

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《WebGL编程指南》笔记；

之前用 three.js 做了一些效果，有一些地方不是很懂，就想着从头开始学习一下WebGL，也能看看 three.js 到底封装了哪些操作；

本文主要记录了WebGL基础、着色器和缓冲区相关知识；

1、基础

1.1、着色器语言

  • WebGL 是从 OpenGL ES 2.0 派生出来的，OpenGL ES 是 OpenGL 的一个特殊版本，移除了 OpenGL 中的一些旧特性；
  • OpenGL 从 2.0 版本开始支持可编程着色器方法，编写着色器的语言称为着色器语言（shading language），OpenGL 着色器语言简称 GLSL；
  • OpenGL ES 2.0 基于 OpenGL 2.0，所以也实现了其着色器语言，称为 OpenGL ES 着色器语言（GLSL ES)；
  • WebGL 基于 OpenGL ES 2.0，也使用 GLSL ES 编写着色器；

1.2、着色器

WebGL需要两种着色器，一种是顶点着色器（Vertex shader），一种是片元着色器（Fragment shader）；

顶点着色器：用来描述顶点特性的程序，如位置、大小等；

片元着色器：进行逐片元处理过程如光照的程序，片元可以理解为像素，处理颜色（外观）；

1.3、着色器代码

着色器代码在 js 中是当做一个字符串来处理的，

顶点着色器代码如下：

void main(){
  gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  gl_PointSize = 10.0;                    
}

gl_Position: vec4 类型，表示顶点的位置，必须被赋值；

gl_PointSize: float 类型，表示点的尺寸，默认1.0，

vec4 是由四个浮点数组成的矢量，vec4 vec4(x, y, z, w)，由四个分量组成的矢量被称为齐次坐标，它能提高处理三维数据的效率，所以在三维图形系统中大量使用；

(x, y, z, w) 等价于三维坐标 (x/w, y/w, z/w)，w 为 1.0 时，齐次坐标就可以表示“前三个分量为坐标值”的那个点；w 必须大于等于0，w 趋近于0，那么它表示的点将趋近无穷远；

片元着色器代码如下：

void main(){
  gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0);
}

gl_FragColor: vec4 类型，rgba格式，四个值范围为 0-1；

1.4、WebGL 绘制操作

gl.clearColor(0,0,0,1) // 绘制背景色，参数为 rgba，值范围为0-1；默认为(0.0, 0.0, 0.0, 0.0)，背景色会保留，不管做什么操作，直到再一次调用 clearColor 的时候，颜色才会被重置；

gl.clearDepth(1.0) // 设置深度

gl.clearStencil(0) // 设置模板


g.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT) // 用之前指定的背景色清空绘制区域，可以清空多个，用位操作符 | 隔开；

gl.COLOR_BUFFER_BIT: 指定颜色缓存；

gl.DEPTH_BUFFER_BIT: 指定深度缓冲区

gl.STENCIL_BUFFER_BIT: 指定模板缓冲区


gl.drawArray(mode, first, count); // 执行顶点着色器，以mode参数指定的方式绘制图形；

mode: 绘制的方式，可接受以下常量符号，gl.POINTS、gl.LINES、gl.LINE_STRIP、gl.LINE_LOOP、gl.TRIANGLES、gl.TRIANGLE_STRIP、gl.TRIANGLE_FAN

first: 整型，指定从哪个顶点开始绘制；

count: 整型，指定绘制需要用到多少个顶点

1.5、坐标系

WebGL是右手坐标系，如下图

WebGL的中点 (0,0,0) 在 Canvas 的中心；整个空间宽度为2，即WebGL坐标系中，x、y、z的范围为[-1, 1]；

因为 Canvas 坐标系和 WebGL 坐标系不一致，所以在操作中，用到坐标的地方需要将 Canvas 下的坐标转成 WebGL 下的坐标；

比如在点击操作中，Canvas 转 WebGL 代码如下：

var target = ev.target;
var left = target.offsetLeft, top = target.offsetTop;
var x0 = ev.clientX - left, y0 = ev.clientY - top;
var midW = canvas.width / 2, midH = canvas.height / 2;
var x = (x0 - midW) / midW, y = (midH - y0) / midH;
var actual = {x: x, y: y};

2、WebGL 往着色器中传值

使用 attribute 和 uniform 变量传值；attribute只能用在顶点着色器中，传输的是与顶点相关的数据；而uniform变量传输的是那些对于所有顶点都相同（或与顶点无关）的数据；

2.1、attribute 传值

2.1.1、在顶点着色器代码中定义变量

attribute vec4 a_Position;
void main(){
  gl_Position = a_Position;
  gl_PointSize = 10.0;
}

attribute: 存储限定符，attribute变量必须声明为全局，vec4 是类型；

2.1.2、js 中获取 attribute 变量的存储位置

gl.getAttribLocation(program, name)

program: 指定包含顶点着色器和片元着色器程序对象，暂时不用管；

name: attribute 变量名，比如上面的’a_Position’；

2.1.3、向 attribute 变量赋值

gl.vertexAttrib3f(location, v0, v1, v2)

location: 指定要修改的 attribute 变量的存储位置，2.1.2 中获取的返回值；

v0、v1、v2: 三个分量；

函数的返回值为变量在着色器代码中的顺序（一个数字），但这个顺序有点迷，比如分别按照顺序声明 a_Position1、a_Position0、a_Position 三个变量，并按该顺序使用，结果该方法返回值分别为2、0、1；如果没有找到，返回-1；

gl.vertexAttrib3f 同族函数

3f 中的 3: 参数个数；

3f 中的 f: float，浮点数；i – 整型；

vertexAttrib1i、vertexAttrib2i、vertexAttrib3f、vertexAttrib4f，均可用于 vec4 类型的传值，没传的会设置为默认值；

这些方法也有对应的矢量版本，在函数名最后加一个 “v”

var position = new Float32Array([1.0, 2.0, 3.0, 1.0]);
gl.vertexAttrib4fv(a_Position, position);

2.2、uniform 变量

2.2.1、在片元着色器代码中定义变量

precision mediump float;
uniform vec4 u_FragColor;
void main(){
  gl_FragColor = u_FragColor;
}

uniform: 存储限定符，uniform 变量必须声明为全局，vec4 是类型；

precision mediump float; 这一句用精度限定词来指定变量的范围（最大值与最小值）和精度，本例为中等精度；

2.2.2、js 中获取 uniform 变量的存储位置

gl.getUniformLocation(program, name)

program: 指定包含顶点着色器和片元着色器程序对象，暂时不用管；

name: uniform 变量名，比如上面的 ‘u_FragColor’；

2.2.3、向 uniform 变量赋值

gl.uniform4f(location, v0, v1, v2, v3)

location: 指定要修改的 uniform 变量的存储位置，2.2.2 中获取的返回值；

该函数返回值为 uniform 变量的地址（一个对象），如果没找到，返回 null；

gl.uniform4f 和 2.1.3 中的 vertexAttrib3f 类似，也有同族函数


demo地址，源代码地址


构成三维模型的基本单位是三角形

3、缓冲区对象

用于一次性传入多个点/值，之前的demo中，每次 drawArrays 渲染，都只绘制了一个点，如果绘制几个顶点组成的图形，就需要一次性将多个点传到顶点着色器中；

var arr = [-.5, .5, .3, .2];
var vertices = new Float32Array(arr);

// 创建缓冲区对象
var vertexBuffer = gl.createBuffer();
if (!vertexBuffer) return -1;

// 指定缓冲区对象的处理方法(gl.ARRAY_BUFFER)
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);

// 将数据写入缓冲区对象
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

// 将缓冲区中的数据分配给变量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

// 启用变量
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

0、类型化数组

引入的目的是为了优化性能，因为固定了类型(都是n位整数/无符号整数/单精度浮点数/双精度浮点数等)；与普通数组不同，只能通过 new 来创建，支持方法、属性和常量如下：

get(index)：获取第 index 个元素；

set(index, value)：设置第 index 个元素的值为 value；

set(array, offset)：从第offset个元素开始，把offset插入；

length：数组长度；

BYTES_PER_ELEMENT：数组中每个元素所占的字节数；Int8Array->1，Int16Array->2；用类型中的数字除8可得到这个值，32->4，64->8；

var farr = new Float32Array(3); 创建一个长度为3的类型化数组；

1、创建缓冲区对象

var vertexBuffer = gl.createBuffer()：创建缓冲区对象

gl.deleteBuffer(vertexBuffer)：删除缓冲区对象

2、绑定缓冲区对象

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer)，为 vertexBuffer 变量指定 webgl 的处理方法，即告诉 webgl 以什么格式（或用什么方法）来处理该缓冲区；

gl.ARRAY_BUFFER：缓冲区对象中包含顶点信息；

gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER：包含顶点的索引值

3、将数据写入缓冲区对象

gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW)，

最后一个参数，gl.STATIC_DRAW 定义了程序将如何使用存储在缓冲区对象中的数据，设置错误不会带来异常，只是降低效率；

gl.STATIC_DRAW：只会向缓冲区对象中写入一次数据，但需要绘制多次；

gl.STREAM_DRAW：只会向缓冲区对象中写入一次数据，然后绘制若干次；

gl.DYNAMIC_DRAW：会向缓冲区对象中多次写入数据，并绘制多次；

4、将缓冲区中的数据分配给变量

gl.vertexAttribPointer(location, size, type, normalize, stride, offset)

location：attribute 变量（的位置）；

size：表示传给该变量的分量个数（取值范围1到4），即按几位一组来从数组中取值传给变量；如果位数小于着色器中变量需要的位数，则对应的变量保持默认值；

type：数据格式

  • gl.UNSIGNED_BYTE：无符号字节，UInt8Array；
  • gl.SHORT：短整型，Int16Array；
  • gl.UNSIGNED_SHORT：无符号短整型，UInt16Array；
  • gl.INT：整型，Int32Array；
  • gl.UNSIGNED_INT：无符号整型，UInt32Array；
  • gl.FLOAT：浮点型，Float32Array；

normalize： false/true，是否将非浮点型的数据归化到[0,1]和[-1,0]的区间

stride：相邻两个顶点间的字节数（每组数据的字节大小）；

offset：指定缓冲区对象中的偏移量（单位是字节），即在stride的基础上，从哪个字节开始给该变量分配值；如果是起始位置开始的，则应为0；

5、开启 attribute 变量

gl.enableVertexAttribArray(a_Position)，为了让顶点着色器能否访问变量对应的缓冲区内的数据，开启后，就无法通过 vertexAttrib3f 这类函数传值了，必须显式关闭该变量才能再次起作用；

gl.disableVertexAttribArray(a_Position) // 关闭 attribute 变量

如果没有关闭就调用 vertexAttrib3f 这类函数，会出现值没有传过去的问题，具体效果可以查看“绘制之后第二次点击位置失效demo”，正常效果的demo在这里，可以对比查看；

6、根据传入的值绘制图形

用 gl.drawArray(mode, first, count) 的 mode 来控制，mode 取值如下：

  • gl.POINTS：点，值为0；
  • gl.LINES：线段，一系列线段，每两个点绘制一条，如果点的个数是奇数，忽略最后一个点，值为1；
  • gl.LINE_STRIP：线条，一条线，按照点的顺序，连接起来，不闭合，连到最后一个点结束，值为3；
  • gl.LINE_LOOP：回路，一条线，按照点的顺序，连接起来，闭合，最后一个点会再连接到第一个点，值为2；
  • gl.TRIANGLES：三角形，一系列三角形，每3个点绘制一个，如果点的个数不是3的倍数，忽略余数，值为4；
  • gl.TRIANGLE_STRIP：三角带，列带状的三角形，(v0, v1, v2) 组成一个三角形，(v2, v1, v3)组成一个三角形，依次类推，(v2, v1, v3)是为了保证第二个三角形也为逆时针方向绘制，值为5；
  • gl.TRIANGLE_FAN：三角扇，由起点按顺序连接后边的相邻两个点组成的多个三角形，(v0, v1, v2)、(v0, v2, v3)，值为6

即值 0-6 的顺序为：gl.POINTS, gl.LINES, gl.LINE_LOOP, gl.LINE_STRIP, gl.TRIANGLES, gl.TRIANGLE_STRIP, gl.TRIANGLE_FAN；

可以用 gl.TRIANGLE_STRIP 和 gl.TRIANGLE_FAN 来绘制矩形，两种模式下，点的顺序会有所差异，具体实现请 查看demo；

4、单缓冲区单数据给多个变量分配值

看下面的顶点着色器代码

attribute vec4 a_Position;
attribute float a_PointSize;
void main(){
  gl_Position = a_Position;
  gl_PointSize = a_PointSize;
}

如果绘制三个点，目前的做法是开两个缓冲区，分别传两类值（位置和大小），两个传值各自独立；

其实这种需求可以通过一个缓冲区一个数据集给多个变量分配值；

var pointArr = [
  -.3, -.2, 10,  // x坐标、y坐标、点的大小
  0, -.2, 20,
  .3, -.2, 30
];
var step = 3; // 数组中几个值一组来表示一个顶点
var vertices = new Float32Array(pointArr);
var fsize = vertices.BYTES_PER_ELEMENT;  // 每个元素所占的字节数

var vertexBuffer = gl.createBuffer();  // 创建缓冲区对象
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer); // 指定缓冲区对象的处理方法(gl.ARRAY_BUFFER)
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW); // 将数据写入缓冲区对象

gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, fsize * step, 0);  // 将缓冲区中的数据分配给变量
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);              // 启用变量
gl.vertexAttribPointer(a_PointSize, 1, gl.FLOAT, false, fsize * step, fsize * 2);
gl.enableVertexAttribArray(a_PointSize);

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);       // 清空缓冲区
gl.uniform4f(u_FragColor, 0, 0, 255, 1);    // 设置点的颜色
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, points.length); // 绘制点

上面的代码中，有一个新的点 vertices.BYTES_PER_ELEMENT，这个表示每个元素所占的字节数；其他基本处理逻辑和之前一样，核心代码是这两句，分别给两个变量分配值：

gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, fsize * step, 0);  // 将缓冲区中的数据分配给变量
gl.vertexAttribPointer(a_PointSize, 1, gl.FLOAT, false, fsize * step, fsize * 2);

vertexAttribPointer(location, size, type, normalize, stride, offset) 方法中

参数 stride 中，两句都是 size * step，表示每组数据的字节大小，该例子中，三个数据为一组，每个数据占4个字节；

参数 offset 表示在 stride 的范围内，从哪个字节开始给该变量分配，分配的长度为第二个参数 size，分配字节数的话，要再乘以每个元素所占的字节数；

该例子的详细源代码在这儿。

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