webgl 系列 —— 三角形

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摘要

有人说三维模型的基本单元是三角形。比如复杂的游戏角色,也只是用许多三角形画出来的。


三角形

有人说三维模型的基本单元是三角形。比如复杂的游戏角色,也只是用许多三角形画出来的。

不管上述说法是否属实,本篇先把三角形画出来。

如何绘制一个三角形

鼠标点击绘点示例我们写了这样的代码:

points.forEach(item => {     gl.vertexAttrib3f(a_Position, item.x, item.y, 0.0);     gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1); }) 

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这种方法一次只能绘制一个点。

比如需要绘制一个三角形,应该是一个连贯的动作。比如在顶点着色器中一次性画三个点,然后用线连接;而不是绘制一个点,在绘制一个点,在绘制一个点...,不应该是零散的

Tip:提前透露 - 只要一次性将三个点绘制出来,其实三角形也就画出来了。

一次性绘制多个顶点可以使用缓冲区对象

缓冲区对象

可以使用 webgl 中的缓冲区对象(buffer object) 一次性的向着色器传入多个顶点数据。

使用缓冲区对象向顶点着色器传入多个顶点数据,需要如下5个步骤:

  1. 创建缓冲区对象
  2. 绑定缓冲区对象
  3. 写入数据到缓冲区对象
  4. 分配缓冲区对象给一个 attribute 变量
  5. 开启 attribute 变量

一次绘制三个点

效果

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实现

完整代码如下:

// 一次绘制三个点  const VSHADER_SOURCE = ` attribute vec4 a_Position; void main() {   gl_Position = a_Position;   gl_PointSize = 10.0;                } `  const FSHADER_SOURCE = ` void main() {   gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); } `  function main() {     const canvas = document.getElementById('webgl');     const gl = canvas.getContext("webgl");     if (!gl) {         console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');         return;     }      if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {         console.log('Failed to intialize shaders.');         return;     }      gl.clearColor(0, 0, 0, 1);     gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);      // 顶点数据     const vertices = {         // 顶点数据。Float32Array 当做普通数组,对应 C 语言的 float         data: new Float32Array([             0.0, 0.5,             -0.5, -0.5,             0.5, -0.5         ]),         // 顶点数         vertexNumber: 3,         // 每个顶点分量数,例如第一个点(0.0, 0.5)         count: 2,     }      // 将顶点的位置写入顶点着色器     initVertexBuffers(gl, vertices)      // gl.drawArrays(mode, first, count)      // 还是画点(gl.POINTS),从缓冲区的第一个位置(0)开始画,绘制3(vertices.vertexNumber)个点     gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber); }  // 将三个顶点通过缓冲对象一次写入着色器 function initVertexBuffers(gl, {data, count}) {     // 1. 创建缓冲区对象     const vertexBuffer = gl.createBuffer();     if (!vertexBuffer) {         console.log('创建缓冲区对象失败');         return -1;     }      // 绑定缓冲区对象绑定到`目标`。只能通过目标向缓冲区写数据     gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);      // 将数据写入缓冲区     gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);      const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');     if (a_Position < 0) {         console.log('Failed to get the storage location of a_Position');         return -1;     }      // 将整个缓冲区对象分配给 atttibute(a_Position) 变量     gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, 0, 0);      // 激活 attribute 变量,使缓冲区对 attribute 变量分配生效     gl.enableVertexAttribArray(a_Position); } 

通过 initVertexBuffers() 将3个顶点分配给 attribute 变量,执行 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber) 时,顶点着色器执行了3次。顶点着色器执行过程和缓冲区数据传入过程如下:

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绘制出所有点后,颜色缓冲区的内容就会自动显示在浏览器中。

initVertexBuffers() 里面涉及了许多概念和api,请往下阅读。

Float32Array

绘制三维图形 webgl 需要处理大量相同的数据,例如顶点坐标。为了优化性能,就引入了一种特殊的数组(类型化数组),浏览器事先知道数组中的数据类型,处理起来就更有效率。

Float32Array 就是其中一种类型化数组,通常用于存储顶点坐标或颜色。

Tip: webgl 中很多操作都需要用到类型化数组

webgl 中有如下类型化数组:

数组类型 每个元素所占字节数 对应C语言的数据类型
Int8Array 1 8 位有符号整数
Uint8Array 1 8 位无符号整型
Int16Array 2 16 位有符号整数
Uint16Array 2 16 位无符号整型
Int32Array 4 32 位有符号的整型
Uint32Array 4 32 位无符号的整型
Float32Array 4 32 位的浮点数 float
Float64Array 8 64 位的浮点数 double

bindBuffer

gl.bindBuffer(target, buffer) - 绑定缓冲区。例如示例中的: gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);

为什么要将绑定缓冲区对象?不能直接向缓冲区写入数据,只能通过目标写入数据。就像这样:
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目标表示缓冲区的用途。例如这里的 gl.ARRAY_BUFFER 指包含顶点属性(例如顶点坐标、纹理坐标数据或顶点颜色数据)的缓冲区。

bufferData

gl.bufferData(target, size, usage) - 将数据写入缓冲区。例如示例中的:gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

gl.STATIC_DRAW 是 usage 中的一种,指缓冲区的内容可能经常使用,而不会经常更改。内容被写入缓冲区,但不被读取。

此方法执行后,webgl 系统内部状态如下:
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vertexAttribPointer

g.vertexAttribPointer(index, size, type, normalized, stride, offset) - 将整个缓冲区对象分配给 atttibute 变量。

例如示例中的:

// count - 指定缓冲区每个顶点的分量个数,缺少则按照 vertexAttrib3f 的补全方式 // gl.FLOAT 与上文的 Float32Array 对应 // normalized - 对于类型gl.FLOAT和gl.HALF_FLOAT,此参数无效 // stride - 指定相邻两个顶点间的字节数。默认为0 // offset - 指定缓冲区对象中的偏移量。即attribute 从缓冲区何处开始存储 gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, 0, 0); 

此方法执行后,webgl 系统内部状态如下:
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疑惑: 说vertexAttribPointer最后一个参数(offset)必须是类型的字节长度的倍数。尝试将 0 改成 4,效果却是:
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enableVertexAttribArray

gl.enableVertexAttribArray(index) - 激活 attribute 变量,使缓冲区对 attribute 变量分配生效。

此方法执行后,webgl 系统内部状态如下:
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drawArrays

gl.drawArrays(mode, first, count) - 执行顶点着色器,按照 mode 指定的参数绘制图形。first 指定从哪个点开始绘制,count 指绘制需要几个点。

能绘制的图形有:

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Tip: drawArrays 更多细节请看这里

三角形

只要一次性将三个点绘制出来,其实三角形也就画出来了。

修改上面示例一行代码就好(gl.POINTS -> gl.LINE_LOOP):

// 前 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber);  // 后 gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP, 0, vertices.vertexNumber); 

效果如下:

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矩形

效果如下:
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核心代码如下:

    // 定义四个点     const vertices = {         data: new Float32Array([             -0.5, 0.5,             -0.5, -0.5,             0.5, 0.5,             0.5, -0.5,         ]),         // 顶点数         vertexNumber: 4,         count: 2,     }      initVertexBuffers(gl, vertices)     // TRIANGLE_STRIP     gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, vertices.vertexNumber); 

Tip:四个点的顺序有要求

三角扇

效果如下:
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在矩形的基础上,改为 gl.TRIANGLE_FAN 即可。

Tip:GL_TRIANGLE_FAN - 绘制各三角形形成一个扇形序列,以 v0 为起点:(v0, v1, v2)、(v0, v2, v3)、(v0, v3, v4)