視覺化學習：WebGL的基礎使用

beckyye發表於2023-12-07
視覺化Web

引言

繼續複習視覺化的學習。WebGL和其他Web端的圖形系統存在很大的不同，是OpenGL ES規範在瀏覽器的實現，它最大的不同就在於它更接近底層，可以由開發者直接操作GPU來實現繪圖，效能很好，可以充分利用GPU平行計算的能力，並且WebGL還支援3D物體的渲染；WebGL最大的缺點應該就在於它的使用比較複雜，不易掌握，不同於一般的Web API使用，想要掌握好WebGL，還需要了解與WebGL相關的GLSL語言。

著色器

想要在WebGL中繪圖，離不開著色器的使用，著色器是什麼呢，我覺得可以簡單理解為，著色器定義瞭如何去處理畫布上的座標點。在WebGL中有兩類著色器，一類是頂點著色器，一類是片元著色器（或者也可以說片段著色器）。

頂點著色器可以認為是，宣告瞭需要處理的座標點；片元著色器就是定義了將這個待處理的座標點渲染為什麼顏色。當然這只是我目前學下來的一個理解，一種感覺，不一定準確。

這兩類著色器都是由GPU呼叫的。

GPU會根據著色器程式，以及傳入的資料，對批次的座標點並行進行處理，最後渲染為一個圖形。WebGL最大的特點就在於對批次的座標點應用同一個著色器程式。所以通常來說，要繪製的座標點和繪製的顏色，尤其是座標點，一般不會直接寫在GLSL程式碼中，而是由GPU從快取中讀取相關資訊；所以在GPU讀取之前，我們需要透過程式碼將資料寫入快取。

基礎使用

接下來我們透過繪製一個簡單的三角形來體會WebGL的使用，來瞭解如何使用WebGL來繪圖。

首先我們在頁面上準備一個canvas畫布。

<canvas width="512" height="512"></canvas>

canvas {
  width: 512px;
  height: 512px;
  border: 1px solid #eee;
}

接下來我們就開始編寫JavaScript程式碼。

1. 獲取WebGL上下文

首先是最基本的，獲取WebGL上下文。

const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');

2. 編寫著色器程式

然後是最關鍵的，編寫著色器程式。

  • 編寫著色器程式的第一步，是編寫GLSL程式碼，來定義兩個著色器。

定義著色器有兩種方式，可以直接透過一段字串定義，也可以透過使用自定義type屬性的script元素把GLSL程式碼包含在網頁中；以下我們透過字串來定義。

const vertex = `
	attribute vec2 position;
	
	void main() {
		gl_Position = vec4(position, 0.0, 1.0);
	}
`;

vertex變數定義的是頂點著色器的GLSL程式碼。

attribute表明變數是專門用於接收頂點資料的；

vec2是變數型別，表示變數是一個包含兩個元素的陣列，兩個元素分別代表x和y座標；

position不用說，就是變數的標識。

在執行著色器程式時，會對每一個待處理的頂點執行main函式，將position透過vec4建立一個包含4個元素的陣列，把2D座標轉換為3D座標，並賦值給gl_Position。gl_Position是內建變數，是四維向量，為什麼3D座標要用四維向量表示呢？這是因為頂點有可能會需要做一些座標變換的操作。

gl_Position就是最終要渲染的點的座標。

const fragment = `
	precision mediump float;
	
	void main() {
		gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
	}
`;

fragment變數定義的是片元著色器的GLSL程式碼。

precision mediump float;這是對精度的描述，不新增會報錯；

gl_FragColor也是內建變數，是四維向量，代表待渲染的點的顏色資訊。vec4中的四個元素分別對應RGB三個顏色通道的色階和alpha通道，與CSS中的RGBA不同的點在於，這裡的RGB的取值在0.0到1.0之間。

  • 接下來我們就來建立著色器程式。

先是分別定義兩個GLSL程式碼對應的shader物件，並把GLSL程式碼傳遞給shader物件，然後編譯這兩個shader物件，這兩個著色器。

const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertex);
gl.compileShader(vertexShader);
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragment);
gl.compileShader(fragmentShader);

然後是建立Program物件並關聯這兩個shader物件，將兩個shader物件連結到著色器程式。

const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);

最後使WebGL上下文使用這個program程式。

gl.useProgram(program);

至此，GPU就可以透過這個著色器程式來使用兩個著色器。

3. 將頂點資料存入緩衝區

現在就可以使用著色器程式來繪製我們的三角形了。

對於三角形，我們知道用三個頂點就可以確定一個三角形。

在定義三角形的頂點之前，我們需要先了解WebGL中的座標系。和Canvas2D不同，在預設情況下，WebGL的座標系原點(0, 0)在畫布的中心，並且畫布的左下角是(-1, -1)，右上角是(1, 1)，也就是說x和y座標的取值範圍都是-1到1。

接著我們還需要了解，WebGL中頂點資訊是儲存在TypedArray中的，TypedArray翻譯過來可以叫做定型陣列或者型別陣列，我們知道在JavaScript中，普通陣列中的元素並沒有限制，我們可以透過push方法，插入任意型別的值，但是在定型陣列中就不能這麼做了，定型陣列可以簡單認為就是陣列中所有元素的型別是被指定了的。

JavaScript透過定型陣列向GPU傳輸資料，某種程度上也是防止GPU接收到意外型別的資料吧，並且這樣GPU也不用花費額外的時間去進行資料型別的判斷和轉換，效能效率更高。

好了，瞭解完這些之後，我們就來定義三角形的三個頂點。

const points = new Float32Array([
  -1, -1,
  0, 1,
  1, -1,
]);

points變數引用了一個Float32Array型別的陣列，Float32Array就是定型陣列的其中一種，代表陣列中的元素都是32位的浮點數。

可以看到，我們在這個陣列中放了6個元素，每兩個元素代表一個點的x和y座標。

然後我們就將這些點寫入WebGL的緩衝區。我的理解是，這三個點其實並不是獨立的點，WebGL會將這三個點在後續用於劃定要處理的範圍；後續還會透過繪圖模式來進一步確定要處理的點。

定義好頂點後，我們就將這些頂點資料寫入緩衝區提供給WebGL使用。

首先在使用前我們需要先建立buffer物件，也就是緩衝區物件。

const bufferId = gl.createBuffer();

然後將這個緩衝區指定為WebGL的操作物件，gl.ARRAY_BUFFER代表這個緩衝區儲存的是頂點資料。

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, bufferId);

最後將資料寫入緩衝區，以供GPU讀取。

gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);

gl.STATIC_DRAW代表資料載入一次，可以在多次繪製中使用。

4. 將緩衝區資料讀取到GPU

完成了資料的寫入後，GPU就可以從緩衝區讀取資料，所以我們需要告訴GPU去哪裡讀取資料。

因為上面緩衝區中儲存的是頂點資料，所以這些資料是在頂點著色器中使用；又因為在頂點著色器的GLSL程式碼中，我們指定了變數position用於接收頂點資料，所以我們需要先獲取position變數的地址。

const vPosition = gl.getAttribLocation(program, 'position');

接著建立一個指標，指向剛剛繫結到gl.ARRAY_BUFFER的緩衝區，並儲存到vPosition中。

gl.vertexAttribPointer(vPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

2表示頂點資料是2個為一組讀取，這是因為在頂點著色器的GLSL程式碼中，我們是透過vec2型別接收的；

gl.FLOAT代表讀取的資料型別；

最後2個0，代表的是從緩衝區中讀取資料時的偏移量，這個例子中資料都是連續寫入的，所以不用管，都設定為0就可以。

最後是啟用這個變數，這樣在頂點著色器中就能透過變數position讀取到points定型陣列中對應的值了。

gl.enableVertexAttribArray(vPosition);

5. 執行著色器程式完成繪製

著色器程式和資料都準備好了之後，GPU就可以呼叫著色器程式並完成圖形的繪製了。

首先，我們先呼叫gl.clear將當前畫布的內容清除，就類似於Canvas2D中的clearRect。

gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

我們可以直接使用gl.COLOR_BUFFER_BIT，也可以自己指定顏色。

然後我們就可以開始繪製了。

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, points.length / 2);

drawArrays的第一個引數是繪圖模式，代表繪圖時所使用的圖元，圖元我理解就是圖形的單元，就一個圖形是由若干個單元組成的，比如這個程式碼中的gl.TRIANGLES就代表這個圖形由三角形組成，它就是一個三角形，那麼WebGL所要渲染的點就是整個三角形區域內的點。

如果我們設定為gl.LINE_LOOP，就代表這個圖形由封閉的線段組成，會形成一個封閉圖形，它預設最後一個點和第一個點連線在一起，那麼WebGL所要渲染的點就是頂點所形成的封閉線段上的點。

如果我們設定為gl.LINES，就代表這個圖形由一個個線段組成，那麼WebGL所要渲染的點就是每一條線段上的點。

drawArrays的第二個引數是緩衝區的起始偏移量，這裡我們從0開始讀取。

最後一個引數是頂點的個數，由於points中每兩個元素一組作為一個頂點座標，所以陣列長度除以2就是頂點的個數。

至此，就完成了三角形的繪製。

可以看到，這個三角形是紅色的，這是因為我們在片元著色器中的定義，就是gl_FragColor，我們寫死了vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);，這就相當於我們在CSS中寫的RGBA(255, 0, 0, 1)；在WebGL中，RGB色階通道的取值也和透明度一樣，在0.0到1.0之間。我們可以透過修改gl_FragColor來修改三角形的顏色。

由於我們在程式碼中把gl_FragColor寫死了，所以在對所有點並行執行片元著色器時，渲染了同樣的顏色，所以三角形整體是紅色的。

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