WebGL: 3D浏览器图形入门指南
你好，未来的3D图形魔法师们！我很高兴能成为你们探索WebGL世界的向导。作为一个教授计算机图形学多年的老师，我可以告诉你，WebGL就像是你的浏览器中的一根魔法棒。它允许你在网页中直接创建令人惊叹的3D图形和动画。这难道不酷吗？让我们开始吧！
WebGL是什么？
WebGL，全称为Web图形库，是一个JavaScript API，允许你在任何兼容的浏览器中渲染交互式的2D和3D图形，而无需安装插件。这就相当于给你的浏览器赋予了超能力，以创造惊人的视觉体验！
简史
WebGL首次在2011年推出，从那时起，它彻底改变了我们对网页上图形的看法。在WebGL之前，如果你想在一个浏览器中创建3D图形，你需要依赖于如Flash或Java小程序这样的插件。现在，有了WebGL，我们可以在浏览器中原生地做所有这些事情。这就好像我们从自行车升级到了跑车！
准备工作
在我们开始WebGL冒险之前，让我们确保我们的背包里有正确的工具：
一个现代的网页浏览器（Chrome、Firefox、Safari或Edge）
一个文本编辑器（我推荐Visual Studio Code，但任何一个都可以）
HTML和JavaScript的基础知识（如果你不太熟悉，不用担心，我们会在学习过程中复习）
WebGL入门
让我们创建我们的第一个WebGL程序！我们将从一个简单的“Hello, WebGL!”示例开始，它在屏幕上显示一个彩色的三角形。
第1步：设置HTML
首先，我们需要创建一个包含canvas元素的HTML文件。这个canvas就是我们WebGL魔法发生的地方。
在这个HTML中，我们创建了一个ID为"glCanvas"的canvas元素，并将其尺寸设置为640x480像素。我们还链接了一个名为"webgl-demo.js"的JavaScript文件，我们将在其中编写WebGL代码。
第2步：初始化WebGL
现在，让我们创建我们的"webgl-demo.js"文件，并开始编写一些JavaScript代码来初始化WebGL：
function main() {
const canvas = document.getElementById("glCanvas");
const gl = canvas.getContext("webgl");
if (!gl) {
alert("无法初始化WebGL。您的浏览器或机器可能不支持它。");
return;
}
// 设置清空画布的颜色为黑色，完全不透明
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 使用指定的清空颜色清空颜色缓冲区
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
}
window.onload = main;
让我们分解一下：
我们获取对canvas元素的引用。
我们尝试从canvas获取一个WebGL上下文。如果失败，意味着WebGL不支持，我们显示一个错误消息。
如果成功，我们设置清空颜色（背景颜色）为黑色，并清空画布。
第3步：创建着色器
着色器是运行在GPU上的特殊程序。它们是用一种叫做GLSL（OpenGL着色语言）的语言编写的。我们需要两种类型的着色器：顶点着色器和片段着色器。
// 顶点着色器程序
const vsSource = `
attribute vec4 aVertexPosition;
void main() {
gl_Position = aVertexPosition;
}
`;
// 片段着色器程序
const fsSource = `
void main() {
gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
`;
顶点着色器定位我们的顶点，而片段着色器为我们的像素着色（在这个例子中是红色）。
第4步：初始化着色器程序
现在我们需要编译和链接这些着色器到一个着色器程序中：
function initShaderProgram(gl, vsSource, fsSource) {
const vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vsSource);
const fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fsSource);
const shaderProgram = gl.createProgram();
gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
gl.linkProgram(shaderProgram);
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;
}
function loadShader(gl, type, source) {
const shader = gl.createShader(type);
gl.shaderSource(shader, source);
gl.compileShader(shader);
if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
alert('编译着色器时发生错误: ' + gl.getShaderInfoLog(shader));
gl.deleteShader(shader);
return null;
}
return shader;
}
这段代码编译我们的着色器，将它们链接成一个程序，并检查是否有任何错误。
第5步：创建三角形
现在，让我们创建我们的三角形数据：
function initBuffers(gl) {
const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
const positions = [
-1.0, 1.0,
1.0, 1.0,
-1.0, -1.0,
];
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW);
return {
position: positionBuffer,
};
}
这创建了一个缓冲区并填充了我们的三角形顶点的位置。
第6步：绘制场景
最后，让我们把所有东西放在一起并绘制我们的三角形：
function drawScene(gl, programInfo, buffers) {
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
gl.useProgram(programInfo.program);
gl.enableVertexAttribArray(programInfo.attribLocations.vertexPosition);
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffers.position);
gl.vertexAttribPointer(
programInfo.attribLocations.vertexPosition,
2, // 每个迭代2个组件
gl.FLOAT, // 数据是32位浮点数
false, // 不标准化
0, // 步长（0 = 自动）
0 // 缓冲区中的偏移量
);
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);
}
这个函数清空画布，设置我们的着色器程序，连接我们的缓冲区数据，并最终绘制我们的三角形。
把所有东西放在一起
现在，让我们更新我们的main函数以使用所有这些片段：
function main() {
const canvas = document.getElementById("glCanvas");
const gl = canvas.getContext("webgl");
if (!gl) {
alert("无法初始化WebGL。您的浏览器或机器可能不支持它。");
return;
}
const shaderProgram = initShaderProgram(gl, vsSource, fsSource);
const programInfo = {
program: shaderProgram,
attribLocations: {
vertexPosition: gl.getAttribLocation(shaderProgram, 'aVertexPosition'),
},
};
const buffers = initBuffers(gl);
drawScene(gl, programInfo, buffers);
}
window.onload = main;
就这样！你的第一个WebGL程序。当你在一个浏览器中打开你的HTML文件时，你应该会看到一个黑色背景上的红色三角形。恭喜你！
常见的WebGL方法
下面是我们使用过的一些常见的WebGL方法和它们的目的：
方法
目的
gl.createBuffer()
创建一个新的缓冲区对象
gl.bindBuffer()
将一个缓冲区对象绑定到一个目标
gl.bufferData()
初始化并创建缓冲区对象的数据存储
gl.createShader()
创建一个着色器对象
gl.shaderSource()
设置着色器对象的源代码
gl.compileShader()
编译一个着色器对象
gl.createProgram()
创建一个程序对象
gl.attachShader()
将一个着色器对象附加到一个程序对象
gl.linkProgram()
链接一个程序对象
gl.useProgram()
将指定的程序设置为当前渲染状态的一部分
gl.getAttribLocation()
返回一个属性变量的位置
gl.enableVertexAttribArray()
启用一个顶点属性数组
gl.vertexAttribPointer()
指定顶点属性数据的布局
gl.drawArrays()
从数组数据渲染基本图形
结论
哇，我们今天涵盖了很多内容！我们学习了WebGL是什么，设置了我们的开发环境，并创建了我们的第一个WebGL程序。记住，学习WebGL就像学习骑自行车一样——一开始可能有点摇晃，但经过练习，你很快就能自如地骑行！
在未来的课程中，我们将探索更复杂的形状，增加交互性，甚至深入到3D图形。WebGL的世界是广阔和令人兴奋的，我迫不及待想和你一起探索更多。下次见，快乐编码！
Credits: Image by storyset