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WebGL：3D 图形渲染与着色器编程

WebGL：3D 图形渲染与着色器编程

你好，WebGL！👋

大家好！今天我们要聊的是一个超级有趣的话题——WebGL。如果你喜欢在网页上看到那些炫酷的3D效果，或者想自己动手制作一些令人惊叹的图形应用，那么WebGL绝对是你的好朋友！它就像是浏览器里的“魔法棒”，能够让你在网页中绘制出精美的3D图形，而且还能通过编写着色器来控制这些图形的外观和行为。

什么是WebGL？

简单来说，WebGL 是一种基于 JavaScript 的 API，它允许你在网页中使用 GPU（图形处理单元）来加速图形渲染。WebGL 的底层是 OpenGL ES 2.0，这意味着你可以用它来做很多与桌面应用程序或移动设备上类似的图形工作。最重要的是，WebGL 是完全基于浏览器的，不需要安装任何额外的软件，只要你的浏览器支持它，就可以立即开始玩转 3D 图形！

为什么选择WebGL？

  1. 跨平台：WebGL 可以在所有现代浏览器中运行，无论是 Windows、macOS、Linux，还是移动端的 iOS 和 Android。
  2. 高性能：通过直接调用 GPU，WebGL 能够提供非常高效的图形渲染，特别适合处理复杂的 3D 场景。
  3. 灵活性：WebGL 不仅可以用来创建游戏、动画，还可以用于数据可视化、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等场景。
  4. 免费且开源：WebGL 是一个开放标准，任何人都可以免费使用，没有任何专利或授权费用。

WebGL 的基本概念

在我们深入探讨如何使用 WebGL 之前，先来了解一下它的几个核心概念：

1. Canvas

WebGL 需要一个画布（<canvas>）作为渲染目标。这个画布就像是一块空白的画板，你可以在上面绘制各种图形。通常我们会通过 JavaScript 获取这个画布，并将其传递给 WebGL 上下文。

<canvas id="webgl-canvas" width="800" height="600"></canvas>
const canvas = document.getElementById('webgl-canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');

if (!gl) {
  console.error('Your browser does not support WebGL 😢');
}

2. 顶点和片段着色器

WebGL 使用两种主要的着色器来处理图形：顶点着色器和片段着色器。

  • 顶点着色器：负责处理每个顶点的位置、颜色、纹理坐标等信息。它会在 GPU 上为每个顶点执行一次。

  • 片段着色器：负责计算每个像素的颜色。它会在 GPU 上为每个像素执行一次。

这两者都是用 GLSL（OpenGL Shading Language）编写的，这是一种专门为图形着色器设计的语言。别担心，GLSL 的语法其实并不复杂，有点像 C 语言。

3. 缓冲区

在 WebGL 中，所有的几何数据（如顶点位置、颜色、法线等）都需要存储在缓冲区中。缓冲区就像是一个大容器，用来存放你要渲染的数据。你可以通过 gl.createBuffer() 创建缓冲区，并使用 gl.bindBuffer() 将其绑定到 WebGL 上下文中。

// 创建一个缓冲区
const positionBuffer = gl.createBuffer();

// 绑定缓冲区
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);

// 向缓冲区中填充数据
const positions = [
  -1.0, -1.0, 0.0,
   1.0, -1.0, 0.0,
   0.0,  1.0, 0.0
];
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW);

4. 着色器程序

着色器程序是顶点着色器和片段着色器的组合。你需要将它们编译并链接成一个完整的程序，然后将其传递给 WebGL 以便执行。

// 编译顶点着色器
function createShader(gl, type, source) {
  const shader = gl.createShader(type);
  gl.shaderSource(shader, source);
  gl.compileShader(shader);
  if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
    console.error('Shader compilation failed: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
    gl.deleteShader(shader);
    return null;
  }
  return shader;
}

// 创建着色器程序
function createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader) {
  const program = gl.createProgram();
  gl.attachShader(program, vertexShader);
  gl.attachShader(program, fragmentShader);
  gl.linkProgram(program);
  if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
    console.error('Program linking failed: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
    gl.deleteProgram(program);
    return null;
  }
  return program;
}

编写第一个WebGL程序

好了，理论部分讲得差不多了，接下来让我们动手写一个简单的 WebGL 程序吧！我们将创建一个旋转的三角形，并为其添加一些颜色。

1. HTML 结构

首先，我们需要一个 <canvas> 元素来作为 WebGL 的渲染目标。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <title>WebGL Triangle</title>
  <style>
    body { margin: 0; overflow: hidden; }
    canvas { display: block; }
  </style>
</head>
<body>
  <canvas id="webgl-canvas"></canvas>
  <script src="main.js"></script>
</body>
</html>

2. JavaScript 代码

接下来是我们的 JavaScript 代码，它将负责初始化 WebGL 上下文、创建着色器、设置缓冲区，并进行渲染。

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

if (!gl) {
  console.error('Your browser does not support WebGL 😢');
}

// 顶点着色器源码
const vertexShaderSource = `
  attribute vec4 a_position;
  void main() {
    gl_Position = a_position;
  }
`;

// 片段着色器源码
const fragmentShaderSource = `
  precision mediump float;
  uniform vec4 u_color;
  void main() {
    gl_FragColor = u_color;
  }
`;

// 创建并编译着色器
const vertexShader = createShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vertexShaderSource);
const fragmentShader = createShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fragmentShaderSource);

// 创建并链接着色器程序
const program = createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader);
gl.useProgram(program);

// 设置顶点数据
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
const positions = [
  -1.0, -1.0, 0.0,
   1.0, -1.0, 0.0,
   0.0,  1.0, 0.0
];
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW);

// 获取属性和uniform变量的位置
const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(program, 'a_position');
const colorUniformLocation = gl.getUniformLocation(program, 'u_color');

// 启用顶点属性
gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);
gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);

// 设置颜色
gl.uniform4f(colorUniformLocation, 1.0, 0.5, 0.0, 1.0); // 橙色

// 清除屏幕
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

// 绘制三角形
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

// 动态旋转三角形
let angle = 0;
function render() {
  angle += 0.01;
  const rotationMatrix = [
    Math.cos(angle), -Math.sin(angle), 0, 0,
    Math.sin(angle),  Math.cos(angle), 0, 0,
    0,               0,               1, 0,
    0,               0,               0, 1
  ];
  gl.uniformMatrix4fv(rotationMatrixLocation, false, rotationMatrix);
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);
  requestAnimationFrame(render);
}

requestAnimationFrame(render);

3. 运行结果

如果你按照上面的代码操作，你应该会看到一个橙色的三角形在屏幕上旋转。恭喜你，你已经成功创建了一个简单的 WebGL 应用程序！🎉

着色器编程的进阶技巧

现在你已经掌握了 WebGL 的基本用法，接下来我们可以聊聊一些更高级的着色器编程技巧。着色器是 WebGL 的核心，掌握它们可以帮助你创建更加复杂和逼真的图形效果。

1. 光照模型

光照是 3D 图形中非常重要的一部分。通过在着色器中实现不同的光照模型，你可以让物体看起来更加真实。常见的光照模型包括：

  • 平行光（Directional Light）：模拟来自无限远的光源，例如太阳。
  • 点光源（Point Light）：模拟从一个点发出的光线，例如灯泡。
  • 聚光灯（Spot Light）：模拟有方向和角度限制的光源，例如手电筒。

在片段着色器中，你可以根据物体的法线方向和光源的方向来计算光照强度。以下是一个简单的 Phong 光照模型的片段着色器示例：

precision mediump float;

varying vec3 v_normal;
uniform vec3 u_lightDirection;
uniform vec3 u_lightColor;
uniform vec3 u_materialColor;

void main() {
  vec3 normal = normalize(v_normal);
  vec3 lightDir = normalize(u_lightDirection);
  float diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
  vec3 color = u_lightColor * u_materialColor * diffuse;
  gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
}

2. 纹理映射

纹理映射是将图像应用到 3D 物体表面的技术。通过在顶点着色器中传递纹理坐标，并在片段着色器中使用 texture2D 函数，你可以为物体添加丰富的细节。

// 顶点着色器
attribute vec2 a_texCoord;
varying vec2 v_texCoord;

void main() {
  v_texCoord = a_texCoord;
  // ...其他代码
}

// 片段着色器
precision mediump float;

varying vec2 v_texCoord;
uniform sampler2D u_texture;

void main() {
  vec4 color = texture2D(u_texture, v_texCoord);
  gl_FragColor = color;
}

3. 后处理效果

后处理效果是指在渲染完成后对整个画面进行进一步的操作。常见的后处理效果包括模糊、边缘检测、色调映射等。你可以通过将渲染结果保存到一个帧缓冲区（Framebuffer），然后再对其进行处理。

// 创建帧缓冲区
const framebuffer = gl.createFramebuffer();
gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, framebuffer);

// 创建纹理
const texture = gl.createTexture();
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.canvas.width, gl.canvas.height, 0, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, null);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);

// 将纹理附加到帧缓冲区
gl.framebufferTexture2D(gl.FRAMEBUFFER, gl.COLOR_ATTACHMENT0, gl.TEXTURE_2D, texture, 0);

// 渲染到帧缓冲区
gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, framebuffer);
// ...渲染代码

// 将帧缓冲区的内容绘制到屏幕上
gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, null);
// ...后处理代码

总结

今天我们学习了 WebG

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