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乘风破浪的WebGL系列-初识WebGL

希沃ENOW大前端

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团队:CVTE旗下未来教育希沃软件平台中心enow团队

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初识 WebGL

在前端领域我们可以通过四种方式来绘制图形,包括 HTML+CSS、SVG、Canvas2d 还有 WebGL,其中 WebGL 属于非常少用的一种绘图方式,尽管如此,其却有着无可替代的位置。接下来,让我们从这四种绘图方式开始,来了解下 WebGL 吧。

前端图形绘制的四种方式

HTML+CSS

HTML+CSS 是最常用的绘制图形方式,其操作简单,一般情况下性能也很好,利用 Dom 事件可以对图形进行事件绑定,然而在处理复杂的、不规则的图形时则没有那么方便。
image.png

SVG

SVG 是一种基于 XML 语法的图像格式,因此具有 HTML 事件绑定的特点。SVG 还提供了丰富的封装,可以很方便地实现矩形、圆形、贝塞尔曲线等图形。同时其内置了多种滤镜特效,相对于 HTML+CSS 的方式,SVG 可以非常方便快捷地实现复杂的不规则形体。同时 SVG 可以随意放大缩小而不会失真。当然 SVG 始终是基于 Dom 节点的,因此节点数量多的话,渲染性能也会降下来。
svg-anim-low.gif

Canvas2d

Canvas2d 是通过 JavaScript 指令进行动态绘图,因此有非常灵活的逻辑处理能力,可以实现保存、恢复画布状态等操作。同时 Canvas 可以做到像素级操作,因此可以实现更多酷炫的效果,例如各种图片滤镜效果。
image.png
相对于 SVG 需要操作多个 HTML 标签,Canvas2d 只需要操作一个 Canvas 标签,因此在绘制相同的复杂图形时,Canvas2d 性能会更好一点。如下图所示,随着图形面积的增大,Canvas2d 渲染的耗时会变得越来越大,而随着场景中元素的不断增加,Canvas2d 渲染耗时相对于 SVG 增长的没那么明显。
image.png

WebGL

上面三种绘图方式,都是进行 2d 图形处理,在 3d 处理上,最早前只能通过 Flash 或者 SilverLight 等浏览器插件来实现,WebGL 标准的出现使得我们可以通过一种更统一、更标准的方式绘制 3d 图形。简单地说,WebGL 是使用 Javascript 语言的 OpenGL ES,同时它是在 HTML 的 Canvas 元素中绘制图形。
image.png
除了绘制 3d 图形外,WebGL 借助其能够直接调用底层接口,实现硬件加速的特性,WebGL在 2d 图形绘制上相比 Canvas2d 有着更好的性能表现。如下,使用相同算法实现图片溶解出现效果,图一为 Canvas2d 方案,而图二为 WebGL 方案,通过观察 FPS 值可以看到 WebGL 方案相对更加流畅一点。

对于 HTML/CSS、SVG 和 Canvas,我们不需要关心它们具体的底层机制,可直接使用其提供的标签和 API 来绘制图形,比如我们只要理解创建 SVG 元素的绘图声明,学会执行 Canvas 对应的绘图指令,就能够将图形输出。但是 WebGL 只能够绘制点、线段、三角形等基本图元,想要利用 WebGL 完成更复杂任务,需要你提供合适的代码,组合使用点,线和三角形等代替实现。因此要使用 WebGL 绘图,我们必须要深入细节里。换句话说就是,我们必须要和内存、GPU 打交道,真正控制图形输出的每一个细节。

图形基础

图形系统

图形系统主要分为 6 个主要元素,分别是输入设备、CPU、GPU、存储器、帧缓存和输入设备。
图形系统组成.jpg
其中 CPU 主要负责要负责加载并准备好场景数据、设置材质,纹理,光源属性等渲染状态、渲染基础图形单元,同时负责想 GPU 发送指令。
GPU 接收 CPU 的指令进行图形的绘制,通过顶点处理和片元处理等操作,生成像素阵列输入到帧缓存。
帧缓存用于存放像素,正缓存中像素的数目叫做分辨率,帧缓存的深度表示每个像素所用的比特数,其决定了一个系统可以表示多少种颜色,例如深度为 8 比特的帧缓存可以表示 256(2^8)种颜色。
framebuffer.jpg

图形绘制流水线

具体到图形的渲染流程,则称为渲染管线,渲染管线主要包括两个功能:一是将物体3D坐标转变为屏幕空间2D坐标,二是为屏幕每个像素点进行着色,渲染管线的一般流程如下图所示。分别是:顶点处理、裁剪和图元组装、光栅化、处理。
图形绘制流水线.jpg
顶点处理:该过程主要是对顶点进行坐标转换,把对象从其被定义的坐标系下的表示转换成照相机下的坐标系。
image.png
图元组装和裁剪:图元组装是指将顶点组合生成一个个图元(点/线/三角形),裁剪是指将视口之外的对象进行裁剪,裁剪针对的是逐个片元而不是逐个顶点。
image.png

光栅化:由裁剪模块得到的图元数据为了生成帧缓存中的像素,还必须做进一步的处理。光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程。该过程包含了两部分的工作。第一部分工作:决定窗口坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用;第二部分工作:分配一个颜色值和一个深度值到各个区域。光栅化过程产生的是片元。
image.png
片元处理:该阶段主要是通过片元着色器来计算片元的最终颜色和深度值,同时通过深度测试和模板测试来判断当前片元是否可见,如果片元通过测试,那它就可以被直接绘制到帧缓存中了。image.png

WebGL 程序

一段完整的 WebGL 程序,至少包括 HTML、JavaScript 和 OpenGL 着色器代码(GLSL),其中 HTML 代码主要提供一个 Canvas 画布;JavaScript 用来获取 WebGL 的上下文,对模型顶点的坐标、颜色等信息进行处理,并将这些处理好的数据传递给 GPU ;GLSL 是一种类 C 的着色器编程语言,主要包括两大部分,即顶点着色器和片元着色器。下面我们通过一个绘制三角形的 WebGL 的示例,来了解一下 WebGL 程序吧。

  1. 声明一个 Canvas 画布
<canvas id="webgl" width="500" height="300" style="border: 1px solid;"></canvas>
复制代码
  1. 获取 WebGL 上下文
// 和 canvas2D 一样,先获取 webgl 上下文
const canvas = document.getElementById("webgl");
const gl = canvas.getContext("webgl");
复制代码
  1. 编写顶点着色器代码和片元着色器代码
// 着色器源码
const vertexShaderSource = `
  // 声明一个属性变量 a
  attribute vec3 a;
  void main() {
    // 顶点在作色器处理后的位置信息
    gl_Position = vec4(a, 1.0);
  }    
`;

const fragmentShaderSource = `
  void main() {
      // 片段颜色
      gl_FragColor = vec4(0.1, 0.7, 0.3, 1.0);
    }
`;
复制代码
  1. 声明使用着色器代码
 // 初始化着色器方法
 function initShader(gl, vertexSource, fragmentSource) {
   const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
   const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
   // 将着色器源码附加到着色器上
   gl.shaderSource(vertexShader, vertexSource);
   gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentSource);

  // 编译着色器
  gl.compileShader(vertexShader);
  gl.compileShader(fragmentShader);

  // 创建一个程序对象
  const program = gl.createProgram();
  // 将编译好的着色器附加到程序对象上
  gl.attachShader(program, vertexShader);
  gl.attachShader(program, fragmentShader);
  // 链接程序对象
  gl.linkProgram(program);
  // WebGL引擎使用该程序对象
  gl.useProgram(program);

  return program;
}

 const program = initShader(gl, vertexShaderSource, fragmentShaderSource);
复制代码
  1. 传入顶点数据到顶点着色器
function sendDataToSharder(gl, data) {
  // 将顶点数据写入缓存区,并将数据传递给顶点着色器
  var vertexBuffer = gl.createBuffer();
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(data), gl.STATIC_DRAW);
  var vertexAttribLocation = gl.getAttribLocation(program, "a");
  gl.vertexAttribPointer(vertexAttribLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
  // 设置通过顶点着色器将缓冲的输入数据转换为一系列顶点数组
  gl.enableVertexAttribArray(vertexAttribLocation);
}

// 定义顶点数据,这里定义了三角形的三个顶点坐标,以中心点为坐标原点,z 轴为 0
var data = [0.0, 0.5, 0.0, -0.5, -0.5, 0.0, 0.5, -0.5, 0.0];
sendDataToSharder(gl, data);
复制代码
  1. 绘制图形
// 绘制缓冲数组
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);
复制代码

最终绘出来的三角形效果如下:
image.png
演示地址:codesandbox.io/s/draw-tria…

到此,相信大家对 WebGL 应该有了一个简单的认识了,关于如何写自己的着色器我会在下一篇文章展开讲解,可以期待下!

参考资料:

  1. 极客时间《跟月影学可视化》-图形基础篇 time.geekbang.org/column/intr…
  2. 交互式计算机图形学——基于WEBGL的自顶向下方法(第7版)
  3. OpenGL编程指南(第8版)
  4. 掘金小册《WebGL 入门与实践》juejin.im/book/684473…