# 使用WebGL绘制图形 ## 场景介绍 WebGL的全称为Web Graphic Library（网页图形库），主要用于交互式渲染2D图形。目前OpenHarmony中使用的WebGL是基于OpenGL裁剪的OpenGL ES，可以在HTML5的Canvas元素对象中使用，无需使用插件，支持跨平台。WebGL程序是由JavaScript代码组成的，其中使用的API可以利用用户设备提供的GPU硬件完成图形渲染和加速。更多信息请参考[WebGL™标准](https://www.khronos.org/registry/webgl/specs/latest/1.0/)。 > **说明：** > > 目前该功能仅支持使用兼容JS的类Web开发范式开发。 ## 基本概念 ### 着色器程序 将缓冲区中的数据推送到着色器中还需涉及“着色器程序”，一个负责关联着色器和缓冲区的JavaScript对象。一个WebGLProgram对象由两个编译过后的 WebGLShader组成，即顶点着色器和片元着色器（均由GLSL语言所写）。 ### 着色器 着色器可以理解为运行在显卡中的指令和数据。在WebGL中，着色器是用OpenGL ES着色语言（GLSL）编写的。 完整的着色器包括顶点着色器和片元着色器。顶点着色器和片元着色器的交互则涉及到图片光栅化。 - 顶点着色器：最基本的任务是接收三维空间中点的坐标，将其处理为二维空间中的坐标并输出。 - 片元着色器：最基本的任务是对需要处理的屏幕上的每个像素输出一个颜色值。 ### 图片光栅化 将顶点着色器输出的二维空间中的点坐标，转化为需要处理的像素并传递给片元着色器的过程。 ### 帧缓冲对象 帧缓冲区对象为绘图缓冲区提供替代呈现目标。它们是颜色、字母、深度和模板缓冲区的集合，通常用于渲染图像。 ### 纹理 纹理是一种图像，可以应用到3D模型的表面上。WebGL中的纹理有许多属性，包括宽度、高度、格式和类型。在使用纹理时，需要将其加载到WebGL中，并将其绑定到一个纹理单元上。 ## 变量与接口说明 ### 变量类型 | 类型 | 对应Web IDL类型 | 描述 | | ------------ | -------------------- | ------------------------------------------------------------ | | GLenum | unsigned long | 用于枚举。 | | GLboolean | boolean | 纹理true或者false。 | | GLbitfield | unsigned long | 无符号整数，可以包含多个位标志。每个位标志都代表一个特定的选项。| | GLbyte | byte | 纹理八位（一个字节），2的补码表示的有符号整数。 | | GLshort | short | 16位2的补码表示的有符号整数。 | | GLint | long | 32位2的补码表示的有符号整数。 | | GLsizei | long | 用来描述尺寸（例如：绘画缓冲drawing buffer 的宽和高）。 | | GLintptr | long long | 用来表示指针的特殊类型，通常用于指定缓冲区对象的偏移量。 | | GLsizeiptr | long long | 用来表示指针的特殊类型，通常用于指定缓冲区对象的大小。 | | GLubyte | octet | 八位（一个字节）2的补码表示的无符号整数。 | | GLushort | unsigned short | 16位2的补码表示的无符号整数。 | | GLuint | unsigned short | 32位2的补码表示的有符号整数。 | | GLfloat | unrestricted float | 32位的IEEE标准的浮点数。 | | GLclampf | unrestricted float | 限值32位IEEE浮点数。 | ### 接口说明 | 接口名 | 描述 | | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------ | | canvas.getContext | 获取canvas对象上下文。 | | webgl.createBuffer(): WebGLBuffer \| null | 创建与初始化WebGL数据缓冲区。 | | webgl.bindBuffer(target: GLenum, buffer: WebGLBuffer \| null): void | 将WebGL数据缓冲区与目标进行绑定。 | | webgl.bufferData(target: GLenum, srcData: ArrayBufferView, usage: GLenum, srcOffset: GLuint, length?: GLuint): void | 创建并初始化WebGL的数据存储区。 | | webgl.getAttribLocation(program: WebGLProgram, name: string): GLint | 从给定WebGL着色程序中获取着色器中attribute变量的地址。 | | webgl.vertexAttribPointer(index GLuint, size: GLint, type: GLenum, normalized: GLboolean, stride: GLsizei, offset: GLintptr): void | 将缓冲区对象分配给变量。 | | webgl.enableVertexAttribArray(index: GLuint): void | 连接变量与分配给它的缓冲区对象。 | | webgl.clearColor(red: GLclampf, green:GLclampf, blue: GLclampf, alpha: GLclampf): void | 清空<canvas>指定的颜色。 | | webgl.clear(mask: GLbitfield): void | 清空<canvas>。 | | webgl.drawArrays(mode: GLenum, first:;GLint, count: GLsizei): void | 执行数据绘制。 | | webgl.flush(): void | 刷新数据至GPU，清空缓冲区。 | | webgl.createProgram(): WebGLProgram \| null | 创建着色器程序对象。 | ## 开发步骤 如下以实现一个彩色正方形为例，来演示使用WebGL绘制2D图形的过程。 1. 使用WebGL进行3D渲染前，首先需要一个Canvas元素。以下示例创建了一个Canvas元素并设置一个onclick事件处理程序来初始化WebGL上下文。 ```hml
``` 2. 设置WebGL的上下文。 - JavaScript 代码中的 main() 函数将会在文档加载完成之后被调用。它的任务是设置WebGL上下文并开始渲染内容。 - 当获取到canvas之后，会调用getContext函数并向它传递 "webgl" 参数，来尝试获取WebGLRenderingContext。如果浏览器不支持WebGL， getContext将会返回null，如果WebGL上下文成功初始化，变量'gl'会用来引用该上下文。 ```js function main() { const canvas = document.querySelector("#glcanvas"); // 初始化WebGL上下文 const gl = canvas.getContext("webgl"); // 确认WebGL支持性 if (!gl) { alert("你的浏览器、操作系统或硬件等可能不支持WebGL。"); return; } // 使用完全不透明的黑色清除所有图像 gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 用上面指定的颜色清除缓冲区 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT); } ``` 3. 定义顶点着色器。 顶点着色器需要对顶点坐标进行必要的转换，在每个顶点基础上进行其他调整或计算，然后通过将其保存在由GLSL提供的特殊变量中来返回变换后的顶点。 在矩阵计算之前需要先引入gl-matrix开源工具库，可以从[gl-matrix官网](https://glmatrix.net/)下载，也可以使用npm命令下载： `npm install gl-matrix` ```js // 引入mat4 import { mat4 } from 'gl-matrix' const vsSource = ` attribute vec4 aVertexPosition; uniform mat4 uModelViewMatrix; uniform mat4 uProjectionMatrix; void main() { gl_Position = uProjectionMatrix * uModelViewMatrix * aVertexPosition; } `; ``` 4. 定义片段着色器。 片段着色器在顶点着色器处理完图形的顶点后，会被要绘制的每个图形的每个像素点调用一次。 ```js const fsSource = ` void main() { gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0); } `; ``` 5. 将着色器传递给WebGL。 定义顶点着色器与片段着色器之后，需要将它们传递给WebGL，并将其编译连接在一起。 如下代码通过调用 loadShader()，为着色器传递类型和来源。创建了两个着色器。然后创建一个附加着色器的程序，将它们连接在一起。如果编译或链接失败，代码将弹出alert。 ```js // 初始化着色器程序，让WebGL知道如何绘制数据 function initShaderProgram(gl, vsSource, fsSource) { const vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vsSource); const fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fsSource); // 创建着色器程序 const shaderProgram = gl.createProgram(); gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader); gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader); gl.linkProgram(shaderProgram); // 如果创建失败，将会弹出alert if (!gl.getProgramParameter(shaderProgram, gl.LINK_STATUS)) { alert( "无法初始化着色器程序: " + gl.getProgramInfoLog(shaderProgram), ); return null; } return shaderProgram; } // 创建指定类型的着色器，上传source源码并编译 function loadShader(gl, type, source) { const shader = gl.createShader(type); // 将资源发送到着色器对象 gl.shaderSource(shader, source); // 编译着色器程序 gl.compileShader(shader); // 查看是否编译成功 if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) { alert( "编译着色器时出错：" + gl.getShaderInfoLog(shader), ); gl.deleteShader(shader); return null; } return shader; } ``` 6. 查找WebGL返回分配的输入位置。 - 在创建着色器程序之后，需要查找WebGL返回分配的输入位置。上述有一个属性和两个Uniform。 - 属性从缓冲区接收值。顶点着色器的每次迭代都从分配给该属性的缓冲区接收下一个值。 - Uniform类似于JavaScript全局变量。它们在着色器的所有迭代中保持相同的值。由于属性的位置是特定于单个着色器程序的，因此将它们存储在一起以易于传递。 ```js const programInfo = { program: shaderProgram, attribLocations: { vertexPosition: gl.getAttribLocation(shaderProgram, "aVertexPosition"), }, uniformLocations: { projectionMatrix: gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uProjectionMatrix"), modelViewMatrix: gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uModelViewMatrix"), }, }; ``` 7. 创建缓冲器对象。 - 在画正方形前，需要创建一个缓冲器来存储它的顶点。 - 首先调用gl的成员函数createBuffer()得到缓冲对象并存储在顶点缓冲器。然后调用 bindBuffer() 函数绑定上下文。 - 创建一个Javascript数组去记录每一个正方体的每一个顶点。然后将其转化为WebGL浮点型类型的数组，并将其传到gl对象的bufferData()方法来建立对象的顶点。 ```js function initBuffers(gl) { const positionBuffer = initPositionBuffer(gl); return { position: positionBuffer, }; } function initPositionBuffer(gl) { // 为正方形的位置创建一个缓冲区。 const positionBuffer = gl.createBuffer(); // 选择positionBuffer作为应用缓冲区的位置。 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer); // 创建一个正方形的位置数组。 const positions = [1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0]; //将位置列表传递给WebGL以构建形状。 gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW); return positionBuffer; } export { initBuffers }; ``` 8. 渲染场景。 - 用背景色擦除画布，然后建立摄像机透视矩阵。设置45度的视图角度，并且设置一个适合实际图像的宽高比。指定在摄像机距离0.1到100单位长度的范围内的物体可见。 - 加载特定位置，并把正方形放在距离摄像机6个单位的位置。然后，绑定正方形的顶点缓冲到上下文，并配置好，再通过调用drawArrays()方法来画出对象。 ```js function drawScene(gl, programInfo, buffers) { gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); gl.clearDepth(1.0); // 清除所有内容。 gl.depthFunc(gl.LEQUAL); // 清除画布。 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); //创建透视矩阵用于模拟相机中的透视变形。 const fieldOfView = (45 * Math.PI) / 180; const aspect = gl.canvas.clientWidth / gl.canvas.clientHeight; const zNear = 0.1; const zFar = 100.0; const projectionMatrix = mat4.create(); mat4.perspective(projectionMatrix, fieldOfView, aspect, zNear, zFar); // 将绘制位置设置为标识点，即场景的中心。 const modelViewMatrix = mat4.create(); // 开始绘制正方形。 mat4.translate( modelViewMatrix, // 目标矩阵 modelViewMatrix, // 要转换的矩阵 [-0.0, 0.0, -6.0], ); { const numComponents = 2; const type = gl.FLOAT; const normalize = false; const stride = 0; // 从一组值到下一组值需要多少字节 const offset = 0; gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffers.position); gl.vertexAttribPointer( programInfo.attribLocations.vertexPosition, numComponents, type, normalize, stride, offset, ); gl.enableVertexAttribArray(programInfo.attribLocations.vertexPosition); } gl.useProgram(programInfo.program); gl.uniformMatrix4fv( programInfo.uniformLocations.projectionMatrix, false, projectionMatrix, ); gl.uniformMatrix4fv( programInfo.uniformLocations.modelViewMatrix, false, modelViewMatrix, ); { const offset = 0; const vertexCount = 4; gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, offset, vertexCount); } } // 告诉WebGL如何从位置中拉出位置缓冲到vertexPosition属性中。 function setPositionAttribute(gl, buffers, programInfo) { const numComponents = 2; const type = gl.FLOAT; const normalize = false; const stride = 0; // 从一组值到下一组值需要多少字节 const offset = 0; gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffers.position); gl.vertexAttribPointer( programInfo.attribLocations.vertexPosition, numComponents, type, normalize, stride, offset, ); gl.enableVertexAttribArray(programInfo.attribLocations.vertexPosition); } export { drawScene }; ``` 最终实现效果示意如下： ![实现效果](figures/square.png)