增加一個 2D 物件到 WebGL 環境
當你建立了 WebGL 的 context後,便可開始渲染。最簡單的例子就是加入一個普通的正方形。接下來,我們會介紹如何畫一個正方形。
畫場景
首先我們需要知道雖然這個範例只是要畫一個正方形,但我們還是在 3D 的空間裡作圖。基本上,我們就是畫一個正方形並把它放在相機前面,使正方形與使用者的視角垂直。我們要定義一個 shader,透過它來渲染我們的物件。接下來,我們會展示如何在螢幕前顯示一個正方形。
Shader
WebGL Shader 使用 OpenGL ES Shading Language。 這邊不討論 shader 的細節的,但簡而言之,我們需要定義兩個 shader (GPU 上可執行的函數): vertex shader 和 fragment shader。這兩個 shader 會以字串的形式傳入 WebGL,編譯後在 GPU 上執行。
Vertex shader
Vertex shader 是用來定義一個變數 gl_Position 的值來控制畫布空間的值(-1 到+1),下面的範例,我們設了一個變數aVertexPosition
用來記錄 vertex 的位置。接下來我們將該位置乘上兩個 4x4 的矩陣(uProjectionMatrix
和uModelMatrix
),並將結果設定為 gl_Position 的值。如果想要了解更多關於 Projection 和其他矩陣可以參閱這篇文件。
// Vertex shader program
const vsSource = `
attribute vec4 aVertexPosition;
uniform mat4 uModelViewMatrix;
uniform mat4 uProjectionMatrix;
void main() {
gl_Position = uProjectionMatrix * uModelViewMatrix * aVertexPosition;
}
`;
Fragment shader
每次 vertex shader 給 gl_Position 1 到 3 個值的時候,它會分別畫出點、線、三角形。畫圖的時候,會呼叫 fragment shader 來詢問每個 pixel 的顏色。在這個範例中,我們對於每次詢問都回傳白色。
gl_FragColor
是 GL 預設的變數用來定義每個 fragment 的顏色,透過設定該變數的值來定義每個 pixel 的顏色,如下:
const fsSource = `
void main() {
gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
}
`;
初始化 shader
現在我們已經定義了兩個 shader ,我們接下來要將它們傳入 WebGL,編譯並連結。下面的程式碼呼叫了 loadShader 來建立兩個 shader。接下來,我們要新增一個程式,並將 shader 加入該程式,並將程式連結起來。如果編譯或連接失敗,程式碼會顯示錯誤訊息。
//
// 初始化 shader 來告知WebGL怎麼畫
//
function initShaderProgram(gl, vsSource, fsSource) {
const vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vsSource);
const fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fsSource);
// 建立 shader 程式
const shaderProgram = gl.createProgram();
gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
gl.linkProgram(shaderProgram);
// 錯誤處理
if (!gl.getProgramParameter(shaderProgram, gl.LINK_STATUS)) {
alert(
"Unable to initialize the shader program: " +
gl.getProgramInfoLog(shaderProgram),
);
return null;
}
return shaderProgram;
}
//
// creates a shader of the given type, uploads the source and
// compiles it.
//
function loadShader(gl, type, source) {
const shader = gl.createShader(type);
// Send the source to the shader object
gl.shaderSource(shader, source);
// Compile the shader program
gl.compileShader(shader);
// See if it compiled successfully
if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
alert(
"An error occurred compiling the shaders: " + gl.getShaderInfoLog(shader),
);
gl.deleteShader(shader);
return null;
}
return shader;
}
我們可以透過呼叫 initShaderProgram 來建立 shader 程式
const shaderProgram = initShaderProgram(gl, vsSource, fsSource);
接下來我們需要找到 WebGL 生成出的位置。這個例子中我們有一個 attribute、兩個 uniform。 Attributes 從 buffer 獲得值。每次迭代時,vertex shader 從 buffer 得到下一個值並傳入到 attribute。 Uniform 則像是 Javascript 的全域變數。每次迭代,他們的值不會改變。為了之後方便,我們將 shader 程式與 attribute 和 uniform 存放在同一個物件中。
const programInfo = {
program: shaderProgram,
attribLocations: {
vertexPosition: gl.getAttribLocation(shaderProgram, "aVertexPosition"),
},
uniformLocations: {
projectionMatrix: gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uProjectionMatrix"),
modelViewMatrix: gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uModelViewMatrix"),
},
};
建立正方形平面
在我們渲染前,我們要建立一個 buffer 用來儲存頂點的座標。在此我們宣告一個函數 initBuffers()
,隨著之後建立更多複雜的物件,這個動作會重複見到很多次。
function initBuffers(gl) {
// 建立一個 buffer 來儲存正方形的座標
const positionBuffer = gl.createBuffer();
// Select the positionBuffer as the one to apply buffer
// operations to from here out.
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
// Now create an array of positions for the square.
const positions = [1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0];
// Now pass the list of positions into WebGL to build the
// shape. We do this by creating a Float32Array from the
// JavaScript array, then use it to fill the current buffer.
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW);
return {
position: positionBuffer,
};
}
這個步驟非常簡單,一開始呼叫gl
物件的函數 createBuffer()
來產生一個儲存座標的 buffer,並將將該 buffer 綁定 WebGL 的 context。
完成後,我們宣告一個陣列來儲存正方形平面各頂點的座標,並轉型為浮點數陣列並用bufferData()
函數傳入 gl
物件。
渲染場景
Shader 建立好了、位置也確定好了、正方形平面頂點的位置也已經放到 buffer 後,我們就可以實際來渲染場景了。因為這個例子沒有任何的動畫,drawScene()
函數非常單純。
function drawScene(gl, programInfo, buffers) {
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 設定為全黑
gl.clearDepth(1.0); // 清除所有東西
gl.enable(gl.DEPTH_TEST); // Enable 深度測試
gl.depthFunc(gl.LEQUAL); // Near things obscure far things
// 開始前先初始化畫布
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
// Create a perspective matrix, a special matrix that is
// used to simulate the distortion of perspective in a camera.
// Our field of view is 45 degrees, with a width/height
// ratio that matches the display size of the canvas
// and we only want to see objects between 0.1 units
// and 100 units away from the camera.
const fieldOfView = (45 * Math.PI) / 180; // in radians
const aspect = gl.canvas.clientWidth / gl.canvas.clientHeight;
const zNear = 0.1;
const zFar = 100.0;
const projectionMatrix = mat4.create();
// note: glmatrix.js always has the first argument
// as the destination to receive the result.
mat4.perspective(projectionMatrix, fieldOfView, aspect, zNear, zFar);
// Set the drawing position to the "identity" point, which is
// the center of the scene.
const modelViewMatrix = mat4.create();
// Now move the drawing position a bit to where we want to
// start drawing the square.
mat4.translate(
modelViewMatrix, // destination matrix
modelViewMatrix, // matrix to translate
[-0.0, 0.0, -6.0],
); // amount to translate
// Tell WebGL how to pull out the positions from the position
// buffer into the vertexPosition attribute.
{
const numComponents = 2; // pull out 2 values per iteration
const type = gl.FLOAT; // the data in the buffer is 32bit floats
const normalize = false; // don't normalize
const stride = 0; // how many bytes to get from one set of values to the next
// 0 = use type and numComponents above
const offset = 0; // how many bytes inside the buffer to start from
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffers.position);
gl.vertexAttribPointer(
programInfo.attribLocations.vertexPosition,
numComponents,
type,
normalize,
stride,
offset,
);
gl.enableVertexAttribArray(programInfo.attribLocations.vertexPosition);
}
// Tell WebGL to use our program when drawing
gl.useProgram(programInfo.program);
// Set the shader uniforms
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);
}
}
第一步,我們先將畫布背景設定為黑色,並設定相機的視角。我們將角度設為 45°,並設定成與畫布的長寬比相同。另外我們指定我們只要渲染離相機 0.1 ~ 100 單位遠的物件。
接下來,我們讀入正方形的位置,並把它擺在離相機 6 單位遠的位置。然後我們將正方形頂點的 buffer 綁定到 gl 上。最後我們呼叫drawArrays()
函數來渲染物件。
矩陣運算
矩陣的運算看起來很複雜,但其實一步一步運算其實不會那麼困難。大部分使用者不會寫自己的運算函數,多半是使用現成的矩陣函數庫,這個例子中我們用的是 glMatrix library 。
可參考以下資料