WebGL基础入门教程(一)：第一个简单示例

1. 概述

不得不说现在三维图形渲染技术更新换代实在是太快,OpenGL很多资料还没来得及学习就已经有点落伍了。NeHe的学习教程还有之前用的《OpenGL编程指南》第七版（也就是红宝书）都非常好，可惜它们都是从固定管线开始讲起的;而现在可编程管线的技术已经是非常常见的基础技术了。后来我还看过《OpenGL编程指南》第八版（白皮书），这本教程是从可编程管线（着色器）开始讲起的，看的时候就觉得没有前面的基础打底，显得非常的晦涩，远不如红宝书易懂。羞愧的说，我已经多次入门失败了。

这也正是我写这篇教程的原因，希望从繁杂的资料中总结真正有用的知识（当然也希望能帮助到你）。我觉得WebGL是学习OpenGL系列三维图形渲染技术很好的入门点。WebGL是OpenGL的浏览器版本，基本上可以认为是OpenGL的子集，能被WebGL保留而不剔除的技术，必须是三维图形渲染技术的精华。在这里给大家强烈推荐《WebGL编程指南》这本书，我这篇教程正是在这本书的基础之上总结出来的。

在学习OpenGL/WebGL的时候，我还感觉到很多资料举得例子往往都太简单了，确实是一看就懂，但是在实际遇到的问题的时候却往往解决不了。我还是认为在实际中解决问题，更能加深对知识的理解。正好最近我在研究GIS中地形的绘制，那么我就通过一步一步绘制地形的示例，来总结WebGL的相关知识。如果你不懂GIS这些术语也不要紧，只需要知道我这里的最终目的是想绘制的是一个大地高程模型，是一个包含XYZ坐标的点集，表达了地形的情况。

2. 示例：绘制一个点

编写WebGL程序跟编写Web前端程序的步骤是一样的，包含HTML和JavaScript两个部分，通过浏览器进行调试。

1) HelloPoint1.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>Draw a point (1)</title>
  </head>

  <body onload="main()">
    <canvas id="webgl" width="400" height="400">
    Please use a browser that supports "canvas"
    </canvas>

    <script src="../lib/webgl-utils.js"></script>
    <script src="../lib/webgl-debug.js"></script>
    <script src="../lib/cuon-utils.js"></script>
    <script src="HelloPoint1.js"></script>
  </body>
</html>

这一段HTML非常简单，从实际表现上来说就是创建了一个画布<canvas>。<canvas>是HTML5引入的的一个绘制标签，可以在画布中绘制任意图形。WebGL正是通过<canvas>元素进行绘制的。
除此之外，这段代码还通过<script>标签引入了几个外部JS文件。其中lib目录中的几个JS文件是一些通用的组件（来自《WebGL编程指南》的源码），可以先暂时不用关心其具体实现；最后一个导入的HelloPoint1.js正是我们编写的绘制模块。而在<body>标签中定义的onload事件属性绑定的正是HelloPoint1.js中的main()函数。

2) HelloPoint1.js

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE = 
  'void main() {/n' +
  '  gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);/n' + // Set the vertex coordinates of the point
  '  gl_PointSize = 10.0;/n' +                    // Set the point size
  '}/n';

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
  'void main() {/n' +
  '  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);/n' + // Set the point color
  '}/n';

function main() {
  // 获取 <canvas> 元素
  var canvas = document.getElementById('webgl');

  // 获取WebGL渲染上下文
  var gl = getWebGLContext(canvas);
  if (!gl) {
    console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
    return;
  }

  // 初始化着色器
  if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
    console.log('Failed to intialize shaders.');
    return;
  }

  // 指定清空<canvas>的颜色
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

  // 清空<canvas>
  gl.clear
(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

  // 绘制一个点
  gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
}

这段JS代码的主要内容就是前面提到的main函数，一旦HTML被浏览器加载成功，这段脚本就会执行。在main函数中主要有一下几步：

(1) 准备工作

document.getElementById(‘webgl’)：文档对象模型DOM的函数，获取到HTML页面的<canvas>元素。

getWebGLContext(canvas)：获取WebGL渲染上下文，保存在gl变量中。因为不同浏览器获取函数不太一样，所以通过组件cuon-utils提供的函数来统一行为。

(2) 着色器

initShaders：初始化着色器。

首先要知道什么是着色器。如果你只学习过固定管线或者其他的二维绘图组件（如GDI），就会非常困惑着色器是什么，为什么要用着色器。比如说在固定管线中，绘制点就是drawPoint，绘制线就drawLine。而在WebGL中，绘制工作则主要被分解成顶点着色器和片元着色器两个步骤了。

在启动JS程序后，绘制工作首先进入的是顶点着色器，在顶点着色器中描述顶点特性（如位置、颜色等），顶点就是三维空间的点，比如三角形的三个顶点；然后进入到片元着色器，在片元着色器中逐片元处理像素（如光照、阴影、遮挡）。最后片元传入到颜色缓冲区，进行显示。渲染过程如下：

WebGL渲染管线

这个过程是一个类似水流的流向过程，所以这个过程被称为渲染管线（Pipeline）。并且，这个过程是需要我们去编程控制的，比如观察者的视角变化需要在顶点着色器去调控；光线对颜色的变化需要在片元着色器去调控等；因此，这个过程就是可编程管线。通过着色器程序，三维图像渲染就更加的灵活强大。

在initShaders()函数中,传入了预先定义的JS字符串VSHADER_SOURCE和FSHADER_SOURCE。需要说明是，着色器程序是以字符串的形式嵌入到JS文件中运行的。这个函数同样是cuon-utils组件提供的，调用之后就告诉WebGL系统着色器已经建立好了并可以随时使用。

(3) 顶点着色器

顶点着色器的定义如下：

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE = 
  'void main() {/n' +
  '  gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);/n' + // Set the vertex coordinates of the point
  '  gl_PointSize = 10.0;/n' +                    // Set the point size
  '}/n';

前面说到顶点着色器程序是嵌入在JS中的程序，所以虽然传入的是字符串，但其实本质是着色器描述语言（GLSL:OpenGL Shading Language）。既然是语言也就有自己的函数与变量定义。main（）函数是每个着色器程序定义的入口。在main函数中，将顶点的坐标赋值给内置变量gl_Position,点的尺寸赋值给内置变量gl_PointSize。

注意这里的gl_Position是必须赋值的，否则着色器不会正常工作。赋值的类型是vec4，也就是一个四维矢量。一般来说，描述点位只需要三维矢量就可以了，但是很多情况下需要四个分量的齐次坐标。齐次坐标（x,y,z,w）等价于三维坐标（x/w,y/w,z/w）。所以如果第四个分量是1，那么就是普通的三维坐标；如果第四分量为0，就表示无穷远的点。

(4) 片元着色器

片元着色器的定义如下：

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
  'void main() {/n' +
  '  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);/n' + // Set the point color
  '}/n';

如同顶点着色器一样，片元着色器将点的颜色赋值给gl_FragColor变量，gl_FragColor是片元着色器唯一的内置变量，控制像素在屏幕上的最终颜色。

(5) 清空缓冲区

gl.clearColor()：设置清空的背景色。
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT)：清空颜色缓冲区。

(6) 绘制操作

gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1):绘制一个点。
顶点着色器只是指定了绘制的顶点，还需要指定顶点到底成点、成线还是成面，gl.drawArrays()就是这样一个函数，这里告诉WebGL系统应该绘制一个点。

3. 结果

最终的运行结果很简单，在Chrome打开HelloPoint1.html，页面显示了一个绘制一个点的窗口：
WebGL示例显示结果

4. 参考

本来部分代码和插图来自《WebGL编程指南》。

代码和数据地址

webgl

WEBGL学习网（WebGLStudy.COM）专注提供WebGL 、ThreeJS、BabylonJS等WEB3D开发案例源码下载。
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未来可期普通 2020-04-21 02:02:58

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