WebGL 绘制一个矩形

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小牛编辑

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2023-12-01

本节课通过绘制一个矩形边框效果，对WebGL整个渲染流程有一个简单认知。

学习建议

学习本节课，建议先结合注释看看案例源码，对于不熟悉的WebGL API可以在MDN搜索文档，不过刚开始学习，没必要去掌握每一个WebGL API，把主要精力放在理解WebGL的整个渲染流程上面，如果你能建立渲染管线的概念，自然对WebGL系统会有一个基本的认知。

源码体验测试

//类型数组构造函数Float32Array创建顶点数组
// 矩形四个顶点坐标的数据
var data=new Float32Array([0.5,0.5,-0.5,0.5,-0.5,-0.5,0.5,-0.5]);

源码第51行new Float32Array([0.5,0.5,...顶点数组数据的数值随意更改大小，范围控制在0.0~1.0之间，观察绘制出的图形轮廓变化，你会发现数组的8个子元素表示的是四边形的四个点顶位置。

//开始绘制图形
gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP,0,4);

第65行代码，drawArrays()方法的第3个参数4，更改为3或2，观察图形轮廓变化。可以看出第三个参数表示是的绘制前几个点，两点确定一条直线，四个顶点绘制并且闭合后是矩形，如果前三个点组成矩形，两个点只能构成直线。
第65行代码，drawArrays方法的第2个参数0，更改为1，会发现报错，canvas画布也不显示。其实是因为第二个参数表示从第几个点开始绘制，1表示从第二个开始，第三个据说不能再填写4，最大只能有3个点，因为第一个点没有参与绘制
第65行代码，drawArrays方法的第1个参数LINE_LOOP，分别更改为LINES、LINE_STRIP、TRIANGLES，可以看到不同的效果，第一个参数成为绘制模式mode，不同的模式有不同的意思，可以查询WebGL中文文档gl.drawArrays()获取详细解释。

`attribute`关键字

这节课首先给大家引入一个新的着色器语法，声明顶点相关数据的时候需要用到attribute关键字。

attribute vec4 apos;声明的变量apos表示矩形所有顶点的位置坐标。WebGL着色器语言之所以规定attribute这样一个关键字，目的是为了javascript可以调用相关的WebGL API把顶点相关数据从javascript传递给顶点着色器attribute声明的变量。

//attribute声明vec4类型变量apos
attribute vec4 apos;

你可以看到案例代码中类型数组var data=new Float32Array([0.5,0.5,-0.5...包含了矩形四个顶点的xy坐标。

//类型数组构造函数Float32Array创建顶点数组
var data=new Float32Array([0.5,0.5,-0.5,0.5,-0.5,-0.5,0.5,-0.5]);

javascript会调用相关的WebGL API通过下面的代码把类型数组data中包含的顶点位置坐标数据传递给顶点着色器中attribute关键字声明的变量apos。

//获取顶点着色器的位置变量apos，即aposLocation指向apos变量。
var aposLocation = gl.getAttribLocation(program,'apos');
...
...
//创建缓冲区对象
var buffer=gl.createBuffer();
//绑定缓冲区对象,激活buffer
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER,buffer);
//顶点数组data数据传入缓冲区
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER,data,gl.STATIC_DRAW);
//缓冲区中的数据按照一定的规律传递给位置变量apos
gl.vertexAttribPointer(aposLocation,2,gl.FLOAT,false,0,0);
//允许数据传递
gl.enableVertexAttribArray(aposLocation);

代码执行流程简述

代码执行到第46行var program=initShader(...)，会调用第68行的初始化着色器函数initShader()，该函数第一个案例代码中用到过，以后也会经常使用，暂时可以把它当成黑箱，知道总体作用就行。执行该函数后，会返回一个程序program对象，同时顶点着色器的位置变量apos会与program建立联系，你可以把apos理解为对象program的属性。

//初始化着色器
var program = initShader(gl,vertexShaderSource,fragShaderSource);

代码执行到第48行，通过getAttribLocation()方法使当前定义的变量aposLocation指向apos变量，方法的第一个参数是对象program，第二个参数是顶点着色器位置变量apos，并使用引号标识。

//获取顶点着色器的位置变量apos，即aposLocation指向apos变量。
var aposLocation = gl.getAttribLocation(program,'apos');

第51行代码new Float32Array([0.5,...定义的是矩形四个顶点的顶点坐标，仅定义了x和y轴坐标，8个元素存入数组，z轴坐标未定义，z轴方向垂直屏幕，如果图形没有旋转平面显示不受z影响，关于WebGL的坐标系问题可以先不关心。当浏览器运行这句代码时，会在内存上开辟一个区域，初始化语句重定义的矩形顶点数据。

//类型数组构造函数Float32Array创建顶点数组
var data=new Float32Array([0.5,0.5,-0.5,0.5,-0.5,-0.5,0.5,-0.5]);

第53~62行代码的作用总体上是把内存中顶点数据输入显存，这样可以提高图形的处理效率，第60行代码gl.vertexAttribPointer(aposLocation,2,gl.FLOAT,false,0,0);设定的是当执行第65行代码绘制函数gl.drawArrays()时候，如何提取数据，该语句的第二个参数2表达的意思是两个数组为一组， 8个元素也就是总共四组，逐组传递给apos变量，查看顶点着色器中代码attribute vec4 apos;可以知道apos是vec4类型数据，也就是有四个参数的向量，这样的话缺少两个数值元素，这种情况下，一般第三个代表z轴的坐标值默认为0.0，第四个参数默认为1.0，数据逐组传递的过程就蕴含着GPU渲染管线逐顶点处理数据的概念。

//创建缓冲区对象
var buffer=gl.createBuffer();
//绑定缓冲区对象,激活buffer
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER,buffer);
//顶点数组data数据传入缓冲区
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER,data,gl.STATIC_DRAW);
//缓冲区中的数据按照一定的规律传递给位置变量apos
gl.vertexAttribPointer(aposLocation,2,gl.FLOAT,false,0,0);
//允许数据传递
gl.enableVertexAttribArray(aposLocation);

第65行代码gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP,0,4);相当于最后的发令枪，命令GPU开始逐顶点处理数据，并安装一定的方式处理顶点，生成最终像素数据，第一个参数控制的是如何根据点生成像素。

//开始绘制图形
gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP,0,4);

drawArrays整体执行顺序

WebGL渲染管线示意图如下所以，除了本小节，本章同样有一个重要内容就是你需要建立WebGL渲染管线的概念，通过本节课的学习，你会了解到WebGL渲染管线上顶点着色器和片元着色器两个功能单元，渲染管线整条流水线上其它的功能单元你可能暂时还没有任何概念，这没有关系，暂时现有一个印象就可以，后面的课程会逐步揭开WebGL渲染管线的面纱。

渲染管线

硬件相关

着色器语言编写的程序称为着色器程序(shader program),在GPU顶点着色器单元上执行的是顶点着色器程序，在GPU片元着色器单元上执行的是片元着色器程序。

顶点着色器

//attribute声明vec4类型变量apos
attribute vec4 apos;
void main() {
  //顶点坐标apos赋值给内置变量gl_Position
  //逐顶点处理数据
  gl_Position = apos;
}

片元着色器

void main() {
  // 逐片元处理数据，所有片元(像素)设置为红色
  gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
}

可编程顶点处理器(Programmable Vertex Processor)又称为顶点着色器，用来执行顶点着色器程序
可编程片元处理器(Programmable Fragment Processor)又称为片元着色器，用来执行片元着色器程序
GPU中有各种专门的寄存器，比如用来接收顶点坐标数据的寄存器是输入寄存器，从数据类型的角度看属于浮点寄存器，用来临时存储浮点数；存储输出到显示器像素的帧缓存是输出寄存器，从处理速度的角度看是数据缓冲寄存器，GPU处理数据的速度要比显示器扫描帧缓存中像素数据的速度要快得多
显示器像素是显示器可以通过RGB值控制的最小单位，一幅图像是由大量像素点累积显示。着色器中的颜色定义会反映在显示器中
显示器的分辨率就是显示器长度方向像素点的个数X显示器宽度方向像素点的个数
屏幕相邻的两个像素单元的距离就是点距，点距越小显示效果越好，一般现在显示器0.2mm~0.4mm之间