【第二届青训营-寒假前端场】- 「WebGL基础」笔记

Why WebGL / Why GPU?
现代的图像系统
- The Pipeline
- GPU
- WebGL & OpenGL关系
WebGL绘图步骤
- 创建WebGL上下文
- 创建WebGL Program（The Shaders）
- 将数据存到缓冲区中（Data to Frame Buffer）
- 读取缓冲区数据到GPU（Frame Buffer to GPU）
- 输出结果（Output）
WebGL太复杂？其他方式
- canvas 2D
- Mesh.js
- Earcut
- 3D Meshing
图形变换（Transforms）
- 平移
- 旋转
- 缩放
- 线性变换（旋转+缩放）
3D Matrix
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总结感想

将自己在掘金上发的笔记搬了过来：WebGL基础、个人博客

Why WebGL / Why GPU?

WebGL是什么?
- GPU ≠ WebGL ≠ 3D
WebGL为什么不像其他前端技术那么简单?

现代的图像系统

光栅(Raster)：几乎所有的现代图形系统都是基于光栅来绘制图形的，光栅就是指构成图像的像素阵列。
像素(Pixel)：一个像素对应图像上的一个点，它通常保存图像上的某个具体位置的颜色等信息。
帧缓存(Frame Buffer)：在绘图过程中，像素信息被存放于帧缓存中，帧缓存是一块内存地址。
CPU (Central Processing Unit)：中央处理单元，负责逻辑计算。
GPU (Graphics Processing Unit)：图形处理单元，负责图形计算。

如上图，现代图像的渲染如图过程

轮廓提取/ meshing
光栅化
帧缓存
渲染

The Pipeline

GPU

GPU由大量的小运算单元构成
每个运算单元只负责处理很简单的计算
每个运算单元彼此独立
因此所有计算可以并行处理

WebGL & OpenGL关系

OpenGL, OpenGL ES, WebGL, GLSL, GLSL ES API Tables (umich.edu)

WebGL绘图步骤

步骤

创建WebGL上下文
创建WebGL Program
将数据存入缓冲区
将缓冲区数据读取到GPU
GPU执行WebGL程序，输出结果

如图，针对几个单词进行解释：

Raw Vertices & Primitives 原始顶点&原语
Vertex Processor 顶点着色器
运算后送到 片元着色器 进行处理：Fragment Processor

创建WebGL上下文

const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');
// 创建上下文， 注意兼容
function create3DContext(canvas, options) {const names = ['webgl', 'experimental-webgL','webkit-3d','moz-webgl'];  // 特性判断if(options.webgl2) names.unshift(webgl2);let context = null;for(let ii = 0; ii < names.length; ++ii) {try {context = canvas.getContext(names[ii], options);} catch(e) {// no-empty}if(context) {break;}}return context;
}

创建WebGL Program（The Shaders）

Vertex Shader（顶点着色器）

通过类型数组position，并行处理每个顶点的位置

attribute vec2 position;// vec2 二维向量
void main() {gl_PointSize = 1.0;gl_Position = vec4(position, 1.0, 1.0);
}

Fragment Shader（片元着色器）

为顶点轮廓包围的区域内所有像素进行着色

precision mediump float;
void main() {gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);//对应rgba（255，0，0，1.0），红色
}

其具体步骤如下：

创建顶点着色器和片元着色器代码：

// 顶点着色器程序代码
const vertexShaderCode = `
attribute vec2 position;
void main() {gl_PointSize = 1.0;gl_Position = vec4(position, 1.0, 1.0);
}
`;
// 片元着色器程序代码
const fragmentShaderCode = `
precision mediump float;
void main() {gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
`;

使用 createShader() 创建着色器对象
使用 shaderSource() 设置着色器的程序代码

使用 compileShader() 编译一个着色器

// 顶点着色器
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertex);
gl.compileShader(vertexShader);
// 片元着色器
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragment);
gl.compileShader(fragmentShader);

使用**createProgram()** 创建 WebGLProgram 对象
使用 attachShader() 往 WebGLProgram 添加一个片段或者顶点着色器。
使用 **linkProgram() **链接给定的WebGLProgram，从而完成为程序的片元和顶点着色器准备GPU代码的过程。

使用 useProgram() 将定义好的WebGLProgram 对象添加到当前的渲染状态

// 创建着色器程序并链接
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);gl.useProgram(program);

将数据存到缓冲区中（Data to Frame Buffer）

坐标轴：webGL的坐标系统是归一化的，浏览器和canvas2D的坐标系统是以左上角为坐标原点，y轴向下，x轴向右，坐标值相对于原点。而webGL的坐标系是以绘制画布的中心点为原点，正常的笛卡尔坐标系。

通过一个顶点数组表示其顶点，使用 createBuffer() 创建并初始化一个用于储存顶点数据或着色数据的WebGLBuffer对象并返回bufferId，然后使用 bindBuffer() 将给定的 bufferId 绑定到目标并返回，最后使用**bufferData()**，将数据绑定至buffer中。

// 顶点数据
const points = new Float32Array([-1, -1,0, 1,1, -1,
]);
// 创建缓冲区
const bufferId = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, bufferId);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);

读取缓冲区数据到GPU（Frame Buffer to GPU）

getAttribLocation() 返回了给定WebGLProgram对象中某属性的下标指向位置。

vertexAttribPointer() 告诉显卡从当前绑定的缓冲区（bindBuffer()指定的缓冲区）中读取顶点数据。

enableVertexAttribArray() 可以打开属性数组列表中指定索引处的通用顶点属性数组。

const vPosition = gl.getAttribLocation(program, 'position'); // 获取顶点着色器中的position变量的地址
gl.vertexAttribPointer(vPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0); // 给变量设置长度和类型
gl.enableVertexAttribArray(vPosition); // 激活这个变量

输出结果（Output）

Output

drawArrays() 从向量数组中绘制图元

// output
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);  //清除缓冲的数据
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, points.length / 2);

WebGL太复杂？其他方式

canvas 2D

看看人家canvas2D，绘制同样的三角形：

// canvas 简单粗暴，都封装好了
const canvas = document.querySelector('canvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');
ctx.beginPath();
ctx.moveTo(250, 0);
ctx.lineTo(500, 500);
ctx.lineTo(0, 500);
ctx.fillStyle = 'red';
ctx.fill();

Mesh.js

mesh-js/mesh.js: A graphics system born for visualization