WebGL 基本原理

WebGL 的出現(xiàn)使得在瀏覽器上面實(shí)時(shí)顯示 3D 圖像成為，WebGL 本質(zhì)上是基于光柵化的 API ,而不是基于 3D 的 API。

WebGL 只關(guān)注兩個(gè)方面，即投影矩陣的坐標(biāo)和投影矩陣的顏色。使用 WebGL 程序的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)具有投影矩陣坐標(biāo)和顏色的 WebGL 對(duì)象即可?？梢允褂谩爸鳌眮?lái)完成上述任務(wù)。頂點(diǎn)著色器可以提供投影矩陣的坐標(biāo)，片段著色器可以提供投影矩陣的顏色。

無(wú)論要實(shí)現(xiàn)的圖形尺寸有多大，其投影矩陣的坐標(biāo)的范圍始終是從 -1 到 1 。下面是一個(gè)關(guān)于實(shí)現(xiàn) WebGL 對(duì)象的一個(gè)簡(jiǎn)單例子。

// Get A WebGL context
var canvas = document.getElementById("canvas");
var gl = canvas.getContext("experimental-webgl");
?
// setup a GLSL program
var program = createProgramFromScripts(gl, ["2d-vertex-shader", "2d-fragment-shader"]);
gl.useProgram(program);
?
// look up where the vertex data needs to go.
var positionLocation = gl.getAttribLocation(program, "a_position");
?
// Create a buffer and put a single clipspace rectangle in
// it (2 triangles)
var buffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
gl.bufferData(
gl.ARRAY_BUFFER,
new Float32Array([
-1.0, -1.0,
 1.0, -1.0,
-1.0,  1.0,
-1.0,  1.0,
 1.0, -1.0,
 1.0,  1.0]),
gl.STATIC_DRAW);
gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);
gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
?
// draw
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);   

下面是兩個(gè)著色器。

<script id="2d-vertex-shader" type="x-shader/x-vertex">
attribute vec2 a_position;

void main() {
  gl_Position = vec4(a_position, 0, 1);
}
</script>

<script id="2d-fragment-shader" type="x-shader/x-fragment">
void main() {
  gl_FragColor = vec4(0, 1, 0, 1);  // green
}
</script>    

它將繪出一個(gè)綠色的長(zhǎng)方形來(lái)填充整個(gè)畫(huà)板。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/webgl/images/1.png" alt="" />

后面內(nèi)容還會(huì)更精彩，我們繼續(xù)：-P

我們?cè)俅谓嫡{(diào)一下，無(wú)論畫(huà)板尺寸多大，投影矩陣坐標(biāo)的范圍只會(huì)在 -1 到 1 之間。從上面的例子中，我們可以看出我們只是將位置信息直接寫(xiě)在了程序里。 因?yàn)槲恢眯畔⒁呀?jīng)在投影矩陣中，所以并沒(méi)有其他額外的工作要做。 如果想實(shí)現(xiàn) 3D 的效果，那么可以使用著色器來(lái)將 3D 轉(zhuǎn)換為投影矩陣，這是因?yàn)?WebGL 是基于光柵的 API。

對(duì)于 2D 的圖像，也許會(huì)使用像素而不是投影矩陣來(lái)表述尺寸，那么這里我們就更改這里的著色器，使得我們實(shí)現(xiàn)的矩形可以以像素的方式來(lái)度量，下面是新的頂點(diǎn)著色器。

<script id="2d-vertex-shader" type="x-shader/x-vertex">
attribute vec2 a_position;

uniform vec2 u_resolution;

void main() {
   // convert the rectangle from pixels to 0.0 to 1.0
   vec2 zeroToOne = a_position / u_resolution;

   // convert from 0->1 to 0->2
   vec2 zeroToTwo = zeroToOne * 2.0;

   // convert from 0->2 to -1->+1 (clipspace)
   vec2 clipSpace = zeroToTwo - 1.0;

   gl_Position = vec4(clipSpace, 0, 1);
}
</script>    

下面我們將我們的數(shù)據(jù)從投影矩陣改為像素。

// set the resolution
var resolutionLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_resolution");
gl.uniform2f(resolutionLocation, canvas.width, canvas.height);

// setup a rectangle from 10,20 to 80,30 in pixels
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array([
10, 20,
80, 20,
10, 30,
10, 30,
80, 20,
80, 30]), gl.STATIC_DRAW);    

http://wiki.jikexueyuan.com/project/webgl/images/2.png" alt="" />

上面例子矩陣位于底部邊框，下面我們讓它位于左上邊框：

修改代碼如下：

   gl_Position = vec4(clipSpace * vec2(1, -1), 0, 1);

效果如下圖：

http://wiki.jikexueyuan.com/project/webgl/images/3.png" alt="" />

下面我們將上述關(guān)于矩陣的實(shí)現(xiàn)寫(xiě)成函數(shù)以便可以以函數(shù)調(diào)用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同尺寸的矩陣。 然而，這里的顏色應(yīng)該是可變的。

首先，我們?yōu)槠沃髟O(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于顏色的輸入。

<script id="2d-fragment-shader" type="x-shader/x-fragment">
precision mediump float;

uniform vec4 u_color;

void main() {
   gl_FragColor = u_color;
}
</script>    

下面是實(shí)現(xiàn)繪畫(huà) 50 個(gè)尺寸和顏色均隨機(jī)的矩陣的代碼。

var colorLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_color");
  ...
  // Create a buffer
  var buffer = gl.createBuffer();
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
  gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);
  gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

  // draw 50 random rectangles in random colors
  for (var ii = 0; ii < 50; ++ii) {
// Setup a random rectangle
setRectangle(
gl, randomInt(300), randomInt(300), randomInt(300), randomInt(300));

// Set a random color.
gl.uniform4f(colorLocation, Math.random(), Math.random(), Math.random(), 1);

// Draw the rectangle.
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);
  }
}

// Returns a random integer from 0 to range - 1.
function randomInt(range) {
  return Math.floor(Math.random() * range);
}

// Fills the buffer with the values that define a rectangle.
function setRectangle(gl, x, y, width, height) {
  var x1 = x;
  var x2 = x + width;
  var y1 = y;
  var y2 = y + height;
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array([
 x1, y1,
 x2, y1,
 x1, y2,
 x1, y2,
 x2, y1,
 x2, y2]), gl.STATIC_DRAW);
}    

下面就是實(shí)現(xiàn)出來(lái)的效果。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/webgl/images/3Mwhw40.png" alt="" />

到此可以看出 WebGL 實(shí)質(zhì)上是一種輕量級(jí)的 API。但是，它可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的 3D 效果，其復(fù)雜性由程序定制。WebGL API 本身是 2D 的且相對(duì)比較簡(jiǎn)單。