WebGL 技术储备指南

发布时间:2017-09-06 19:36:33
WebGL 技术储备指南

WebGL 是 HTML 5 草案的一部分,可以驱动 Canvas 渲染三维场景。WebGL 虽然还未有广泛应用,但极具潜力和想象空间。本文是我学习 WebGL 时梳理知识脉络的产物,花点时间整理出来与大家分享。

本文的目标

本文的预期读者是:不熟悉图形学,熟悉前端,希望了解或系统学习 WebGL 的同学。

本文不是 WebGL 的概述性文章,也不是完整详细的 WebGL 教程。本文只希望成为一篇供 WebGL 初学者使用的提纲。

Canvas

熟悉 Canvas 的同学都知道,Canvas 绘图先要获取绘图上下文:

var context = canvas.getContext('2d');

在context上调用各种函数绘制图形,比如:

// 绘制左上角为(0,0),右下角为(50, 50)的矩形 context.fillRect(0, 0, 50, 50);

WebGL 同样需要获取绘图上下文:

var gl = canvas.getContext('webgl'); // 或 experimental-webgl

但是接下来,如果想画一个矩形的话,就没这么简单了。实际上,Canvas 是浏览器封装好的一个绘图环境,在实际进行绘图操作时,浏览器仍然需要调用 OpenGL API。而 WebGL API 几乎就是 OpenGL API 未经封装,直接套了一层壳。

矩阵变换

三维模型,从文件中读出来,到绘制在 Canvas 中,经历了多次坐标变换。

假设有一个最简单的模型:三角形,三个顶点分别为(-1,-1,0),(1,-1,0),(0,1,0)。这三个数据是从文件中读出来的,是三角形最初始的坐标(局部坐标)。如下图所示,右手坐标系。

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模型通常不会位于场景的原点,假设三角形的原点位于(0,0,-1)处,没有旋转或缩放,三个顶点分别为(-1,-1,-1),(1,-1,-1),(0,1,-1),即世界坐标。

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绘制三维场景必须指定一个观察者,假设观察者位于(0,0,1)处而且看向三角形,那么三个顶点相对于观察者的坐标为(-1,-1,-2),(1,-1,-2),(0,1,-2),即视图坐标。

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观察者的眼睛是一个点(这是透视投影的前提),水平视角和垂直视角都是90度,视野范围(目力所及)为[0,2]在Z轴上,观察者能够看到的区域是一个四棱台体。

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将四棱台体映射为标准立方体(CCV,中心为原点,边长为2,边与坐标轴平行)。顶点在 CCV 中的坐标,离它最终在 Canvas 中的坐标已经很接近了,如果把 CCV 的前表面看成 Canvas,那么最终三角形就画在图中橙色三角形的位置。

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上述变换是用矩阵来进行的。

局部坐标 –(模型变换)-> 世界坐标 –(视图变换)-> 视图坐标 –(投影变换)–> CCV 坐标。

以(0,1,0)为例,它的齐次向量为(0,0,1,1),上述变换的表示过程可以是:

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上面三个矩阵依次是透视投影矩阵,视图矩阵,模型矩阵。三个矩阵的值分别取决于:观察者的视角和视野距离,观察者在世界中的状态(位置和方向),模型在世界中的状态(位置和方向)。计算的结果是(0,1,1,2),化成齐次坐标是(0,0.5,0.5,1),就是这个点在CCV中的坐标,那么(0,0.5)就是在Canvas中的坐标(认为 Canvas 中心为原点,长宽都为2)。

上面出现的(0,0,1,1)是(0,0,1)的齐次向量。齐次向量(x,y,z,w)可以代表三维向量(x,y,z)参与矩阵运算,通俗地说,w 分量为 1 时表示位置,w 分量为 0 时表示位移。

WebGL 没有提供任何有关上述变换的机制,开发者需要亲自计算顶点的 CCV 坐标。


比较复杂的是模型变换中的绕任意轴旋转(通常用四元数生成矩阵)和投影变换(上面的例子都没收涉及到)。

着色器和光栅化

在 WebGL 中,开发者是通过着色器来完成上述变换的。着色器是运行在显卡中的程序,以 GLSL 语言编写,开发者需要将着色器的源码以字符串的形式传给 WebGL 上下文的相关函数。

着色器有两种,顶点着色器和片元(像素)着色器,它们成对出现。顶点着色器任务是接收顶点的局部坐标,输出 CCV 坐标。CCV 坐标经过光栅化,转化为逐像素的数据,传给片元着色器。片元着色器的任务是确定每个片元的颜色。

顶点着色器接收的是 attribute 变量,是逐顶点的数据。顶点着色器输出 varying 变量,也是逐顶点的。逐顶点的 varying 变量数据经过光栅化,成为逐片元的 varying 变量数据,输入片元着色器,片元着色器输出的结果就会显示在 Canvas 上。

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