1# 使用WebGL绘制图形 2 3## 场景介绍 4 5WebGL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/)。 6 7> **说明：** 8> 9> 目前该功能仅支持使用兼容JS的类Web开发范式开发。 10 11## 基本概念 12 13### 着色器程序 14 15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）。 16 17### 着色器 18 19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。 20 21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。 22 23- 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。 24 25- 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。 26 27### 图片光栅化 28 29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。 30 31### 帧缓冲对象 32 33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。 34 35### 纹理 36 37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。 38 39 40## 变量与接口说明 41 42### 变量类型 43 44| 类型 | 对应Web IDL类型 | 描述 | 45| ------------ | -------------------- | ------------------------------------------------------------ | 46| GLenum | unsigned long | 用于枚举。 | 47| GLboolean | boolean | 纹理true或者false。 | 48| 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。| 49| GLbyte | byte | 纹理八位（一个字节），2的补码表示的有符号整数。 | 50| GLshort | short | 16位2的补码表示的有符号整数。 | 51| GLint | long | 32位2的补码表示的有符号整数。 | 52| GLsizei | long | 用来描述尺寸（例如：绘画缓冲drawing buffer 的宽和高）。 | 53| 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。 | 54| 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。 | 55| GLubyte | octet | 八位（一个字节）2的补码表示的无符号整数。 | 56| GLushort | unsigned short | 16位2的补码表示的无符号整数。 | 57| GLuint | unsigned short | 32位2的补码表示的有符号整数。 | 58| GLfloat | unrestricted float | 32位的IEEE标准的浮点数。 | 59| GLclampf | unrestricted float | 限值32位IEEE浮点数。 | 60 61### 接口说明 62 63| 接口名 | 描述 | 64| ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------ | 65| canvas.getContext | 获取canvas对象上下文。 | 66| webgl.createBuffer(): WebGLBuffer \| null | 创建与初始化WebGL数据缓冲区。 | 67| webgl.bindBuffer(target: GLenum, buffer: WebGLBuffer \| null): void | 将WebGL数据缓冲区与目标进行绑定。 | 68| 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。 | 69| 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。 | 70| 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。 | 71| webgl.enableVertexAttribArray(index: GLuint): void | 连接变量与分配给它的缓冲区对象。 | 72| webgl.clearColor(red: GLclampf, green:GLclampf, blue: GLclampf, alpha: GLclampf): void | 清空<canvas>指定的颜色。 | 73| webgl.clear(mask: GLbitfield): void | 清空<canvas>。 | 74| webgl.drawArrays(mode: GLenum, first:;GLint, count: GLsizei): void | 执行数据绘制。 | 75| webgl.flush(): void | 刷新数据至GPU，清空缓冲区。 | 76| webgl.createProgram(): WebGLProgram \| null | 创建着色器程序对象。 | 77 78## 开发步骤 79 80 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。 81 821. 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。 83 84 ```hml 85 <div class="container"> 86 <canvas ref="canvas1" style="width : 400px; height : 400px; background-color : lightyellow;"></canvas> 87 <button class="btn-button" onclick="BtnColorTriangle">BtnColorTriangle</button> 88 </div> 89 ``` 90 912. 设置WebGL的上下文。 92 93 - 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。 94 95 - 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。 96 97 ```js 98 function main() { 99 const canvas = document.querySelector("#glcanvas"); 100 // 初始化WebGL上下文 101 const gl = canvas.getContext("webgl"); 102 103 // 确认WebGL支持性 104 if (!gl) { 105 alert("你的浏览器、操作系统或硬件等可能不支持WebGL。"); 106 return; 107 } 108 // 使用完全不透明的黑色清除所有图像 109 gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); 110 // 用上面指定的颜色清除缓冲区 111 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT); 112 } 113 ``` 1143. 定义顶点着色器。 115 116 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。 117 118 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： 119 `npm install gl-matrix` 120 ```js 121 // 引入mat4 122 import { mat4 } from 'gl-matrix' 123 const vsSource = ` 124 attribute vec4 aVertexPosition; 125 uniform mat4 uModelViewMatrix; 126 uniform mat4 uProjectionMatrix; 127 void main() { 128 gl_Position = uProjectionMatrix * uModelViewMatrix * aVertexPosition; 129 } 130 `; 131 ``` 132 1334. 定义片段着色器。 134 135 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。 136 137 ```js 138 const fsSource = ` 139 void main() { 140 gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0); 141 } 142 `; 143 ``` 1445. 将着色器传递给WebGL。 145 146 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。 147 148 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。 149 150 ```js 151 // 初始化着色器程序，让WebGL知道如何绘制数据 152 function initShaderProgram(gl, vsSource, fsSource) { 153 const vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vsSource); 154 const fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fsSource); 155 // 创建着色器程序 156 const shaderProgram = gl.createProgram(); 157 gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader); 158 gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader); 159 gl.linkProgram(shaderProgram); 160 // 如果创建失败，将会弹出alert 161 if (!gl.getProgramParameter(shaderProgram, gl.LINK_STATUS)) { 162 alert( 163 "无法初始化着色器程序: " + 164 gl.getProgramInfoLog(shaderProgram), 165 ); 166 return null; 167 } 168 return shaderProgram; 169 } 170 // 创建指定类型的着色器，上传source源码并编译 171 function loadShader(gl, type, source) { 172 const shader = gl.createShader(type); 173 // 将资源发送到着色器对象 174 gl.shaderSource(shader, source); 175 // 编译着色器程序 176 gl.compileShader(shader); 177 // 查看是否编译成功 178 if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) { 179 alert( 180 "编译着色器时出错：" + gl.getShaderInfoLog(shader), 181 ); 182 gl.deleteShader(shader); 183 return null; 184 } 185 return shader; 186 } 187 ``` 1886. 查找WebGL返回分配的输入位置。 189 190 - 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。 191 192 - 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。 193 194 - 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。 195 196 ```js 197 const programInfo = { 198 program: shaderProgram, 199 attribLocations: { 200 vertexPosition: gl.getAttribLocation(shaderProgram, "aVertexPosition"), 201 }, 202 uniformLocations: { 203 projectionMatrix: gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uProjectionMatrix"), 204 modelViewMatrix: gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uModelViewMatrix"), 205 }, 206 }; 207 ``` 208 2097. 创建缓冲器对象。 210 211 - 在画正方形前，需要创建一个缓冲器来存储它的顶点。 212 213 - 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。 214 215 - 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。 216 217 ```js 218 function initBuffers(gl) { 219 const positionBuffer = initPositionBuffer(gl); 220 return { 221 position: positionBuffer, 222 }; 223 } 224 function initPositionBuffer(gl) { 225 // 为正方形的位置创建一个缓冲区。 226 const positionBuffer = gl.createBuffer(); 227 // 选择positionBuffer作为应用缓冲区的位置。 228 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer); 229 // 创建一个正方形的位置数组。 230 const positions = [1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0]; 231 //将位置列表传递给WebGL以构建形状。 232 gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW); 233 return positionBuffer; 234 } 235 export { initBuffers }; 236 ``` 237 2388. 渲染场景。 239 240 - 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。 241 242 - 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。 243 244 ```js 245 function drawScene(gl, programInfo, buffers) { 246 gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); 247 gl.clearDepth(1.0); // 清除所有内容。 248 gl.depthFunc(gl.LEQUAL); 249 // 清除画布。 250 gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT); 251 //创建透视矩阵用于模拟相机中的透视变形。 252 const fieldOfView = (45 * Math.PI) / 180; 253 const aspect = gl.canvas.clientWidth / gl.canvas.clientHeight; 254 const zNear = 0.1; 255 const zFar = 100.0; 256 const projectionMatrix = mat4.create(); 257 mat4.perspective(projectionMatrix, fieldOfView, aspect, zNear, zFar); 258 // 将绘制位置设置为标识点，即场景的中心。 259 const modelViewMatrix = mat4.create(); 260 // 开始绘制正方形。 261 mat4.translate( 262 modelViewMatrix, // 目标矩阵 263 modelViewMatrix, // 要转换的矩阵 264 [-0.0, 0.0, -6.0], 265 ); 266 { 267 const numComponents = 2; 268 const type = gl.FLOAT; 269 const normalize = false; 270 const stride = 0; // 从一组值到下一组值需要多少字节 271 const offset = 0; 272 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffers.position); 273 gl.vertexAttribPointer( 274 programInfo.attribLocations.vertexPosition, 275 numComponents, 276 type, 277 normalize, 278 stride, 279 offset, 280 ); 281 gl.enableVertexAttribArray(programInfo.attribLocations.vertexPosition); 282 } 283 gl.useProgram(programInfo.program); 284 gl.uniformMatrix4fv( 285 programInfo.uniformLocations.projectionMatrix, 286 false, 287 projectionMatrix, 288 ); 289 gl.uniformMatrix4fv( 290 programInfo.uniformLocations.modelViewMatrix, 291 false, 292 modelViewMatrix, 293 ); 294 { 295 const offset = 0; 296 const vertexCount = 4; 297 gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, offset, vertexCount); 298 } 299 } 300 // 告诉WebGL如何从位置中拉出位置缓冲到vertexPosition属性中。 301 function setPositionAttribute(gl, buffers, programInfo) { 302 const numComponents = 2; 303 const type = gl.FLOAT; 304 const normalize = false; 305 const stride = 0; // 从一组值到下一组值需要多少字节 306 const offset = 0; 307 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffers.position); 308 gl.vertexAttribPointer( 309 programInfo.attribLocations.vertexPosition, 310 numComponents, 311 type, 312 normalize, 313 stride, 314 offset, 315 ); 316 gl.enableVertexAttribArray(programInfo.attribLocations.vertexPosition); 317 } 318 export { drawScene }; 319 ``` 320 321最终实现效果示意如下： 322 323
