3D绘图小帮手WebGL入门与进阶(中)——着色器的基本编程

程序创建完之后,我们需要需要对着色器进行动态控制才能达到我们所需要的功能。(如不知道怎么创建WebGL,可参考上篇文章)。

首先让我来介绍2个变量,我们需要借助这2个变量搭建的桥梁才能使JavaScript与GLSL ES之间进行沟通。

  • attribute: 用于顶点点着色器(Vertex Shader)传值时使用。
  • uniform:可用于顶点着色器(Vertex Shader)与片元着色器(Fragment Shader)使用。

将顶点动态化

先在顶点着色器代码中,将对应的vec4的固定值变成变量。

var VSHADER_SOURCE = 
  'attribute vec4 a_Position;\n' +
  'void main() {\n' +
    '  gl_Position = a_Position;\n' +
    '  gl_PointSize = 10.0;\n' + 
  '}\n';

位置参数使用了attribute变量来承载。这样WebGL对象就可以获取到对应的存储位置,就可以去动态改变GLSL变量了。

使用WebGL来获取对应参数的存储地址。

//返回对应的地址信息
var aPosition = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
//判断地址是否获取成功
if(aPosition < 0) {
    console.log('没有获取到对应position');
}

然后给变量赋值。

gl.vertexAttrib3f(aPosition, 1.0, 1.0, 0.0);
//或者使用Float32Array来传参
var p = new Float32Array([1.0, 1.0, 1.0]);
gl.vertexAttrib3fv(aPosition, p);

注意:vertexAttrib3fv这个函数是典型的GLSL语法命名规范,vertexAttrib函数功能:

3:对应需要传3个参数,或者是几维向量。

f:表示参数是float类型。

v:表示传如的为一个vector变量。

也就是说对应设置顶点着色器的函数有一下几种功能:

  • void gl.vertexAttrib1f(index, v0);
  • void gl.vertexAttrib2f(index, v0, v1);
  • void gl.vertexAttrib3f(index, v0, v1, v2);
  • void gl.vertexAttrib4f(index, v0, v1, v2, v3);
  • void gl.vertexAttrib1fv(index, value);
  • void gl.vertexAttrib2fv(index, value);
  • void gl.vertexAttrib3fv(index, value);
  • void gl.vertexAttrib4fv(index, value);

同样操作可以如下修改PointSize:

//着色器中添加变量
var VSHADER_SOURCE = 
  'attribute vec4 a_Position;\n' +
  'attribute float a_PointSize;\n' +
  'void main() {\n' +
    '  gl_Position = a_Position;\n' +
    '  gl_PointSize = a_PointSize;\n' + 
  '}\n';
var aPointSize = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_PointSize');
gl.vertexAttrib1f(aPointSize, 10.0);

片元着色器编程

对片元着色器变成需要使用uniform变量来承载。

var FSHADER_SOURCE =
'precision mediump float;\n'+
'uniform vec4 vColor;\n'+
'void main() {\n' +
'  gl_FragColor = vColor;\n' + // Set the point color
'}\n';

获取片元着色器变量地址。

var vColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'vColor');

给变量赋值。

gl.uniform4f(vColor, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
//或使用Float32Array来传参
var color = new Float32Array([1.0, 0.0, 0.0, 1.0]);
gl.uniform4fv(vColor,color)

注意:uniform3fv这个函数是典型的GLSL语法命名规范,uniform3fv函数功能:

3:对应需要传3个参数,或者是几维向量。

f:表示参数是float类型。

u:表示参数是Uint32Array类型。

i:表示参数是integer类型。

ui:表示参数是unsigned integer类型。

v:表示传如的为一个vector变量。

uniform对应函数同attribute的函数构成相似,这里就不详细列举,具体请参考 [1]。

着色器中的代码precision mediump float;表示的意思是着色器中配置的float对象会占用中等尺寸内存。 具体包含的尺寸:

  • highp for vertex positions,
  • mediump for texture coordinates,
  • lowp for colors.

如果不设置此参数会报错:

我们可以绘制自定义的点了,接下来我们就可以尝试绘制大批量点来达到波浪的基础效果,但是之前的操作都是针对一个点的,如何可以同时绘制多个订点呢,如果你的回答是循环数据,BINGGO,没错这样你的确是可以达到这个目的,但是不是我们接下来要讲的,因为在3D绘制的时候是会经常出现大批量点、线、面的绘制的,所以WebGL提供了一种承载机制来达到传递多点的能力,说了这么多,也让我们来看看它到底是什么吧。

缓存区对象

之前的方式可以通过循环来绘制多个点,一次需要绘制多个点,需要同时传递进去多个点的数据。刚好,在WebGL中提供了一种机制:缓存区对象(buffer data),缓存区对象可以同时向着色器传递多个顶点坐标。缓存区是WebGL中的一块内存区域,我们可以向里面存放大量顶点坐标数据,可随时供着色器使用。

使用缓存区步骤

  • 创建缓存区对象(gl.createBuffer())
  • 绑定缓存区对象(gl.bindBuffer())
  • 将数据写入缓存区对象(gl.bufferData())
  • 将缓存区对象分配给一个attribute变量(gl.vertexAttribPointer())
  • 开启attribute变量(gl.enableVertexAttribArray())

我们需要进行缓冲区的操作: 首先,需要创建一个缓冲区来承载大量顶点的坐标。(代码继续上文)

// 创建缓存区 
var vertexBuffer = gl.createBuffer();
if(!vertexBuffer) {
    log('创建缓存区失败。');
    return -1;
}
// 将创建的缓存区对象绑定到target表示的目标上 
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
// 开辟存储空间,向绑定在target上的缓存区对象中写入数据 
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);
// 获取着色器中的变量值 
var a_position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_p');
// 将缓存区对象绑定到着色器变量中 
gl.vertexAttribPointer(a_position, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
// 启用缓存区 
gl.enableVertexAttribArray(a_position);
// 绘制缓存区中画的多个顶点 
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0 , array);

看完了绘制过程,让我们来拆解一下具体内容:

首先,我们要在茫茫内存中申请一个区域来放置缓存区对象的内容,但是我们无法直接放置缓存对象进入内存中,否则会无法识别对应的数据类型,从而无法达到存取自如的境界,那我们就需要将数据的类型告知内存,bingBuffer就是为解决此问题诞生的,函数会在内存中申请一部分区域,并且通过target来制定数据类型,也就是说,缓存区是需要放置在target表示的类型部分去存储。

gl.bindBuffer(target, buffer):

target: 指定存储缓存区的目标类型,

  • gl.ARRAY_BUFFER : 指缓存区中包含了顶点的数据。
  • gl.ELEMENTARRAYBUFFER : 指缓存区中包含了顶点数据的索引值。

buffer: 自己创建的缓存区对象,

接下来,我们需要做的是填充刚刚申请的缓存区,我们需要使用一个符合GLSL语法的数据格式,Javascript中可用Float32Array类型来创建支持GLSL的数据。使用bufferData函数将数据放入缓存区内。

gl.bufferData(target, size, usage):

target: 同上,

size: 为多个顶点坐标的集合数组,

usage: 表示程序将如何使用缓存区中的数据,

  • gl.STATIC_DRAW : 只会向缓存区对象中写入一次数据,但需要绘制很多次。
  • gl.STREAM_DRAW : 只会向缓存区对象中写入一次数据,然后绘制若干次。
  • gl.DYNAMIC_DRAW : 会想缓存区对象中多次写入数据,并绘制很多次。

缓存区中已经存储了多个顶点坐标,接下来我们需要将此数据运用到对应的着色器上,才能真正的绘制出来可视化图像,如何传递呢?首先我们需要在着色器中建立一个attribute类型的变量以方便我们操作,着色器中的对象,着色器中存在对象之后,我们可以使用Javascript中getAttribLocation函数获取着色器中的attribute类型变量,并且通过vertexAttribPointer将其赋值改变,从而达到改变图像呈现。

gl.getAttribLocation(program,name):

param: webgl之前创建的进程,

name: 变量名称,

gl.vertexAttribPointer(name, size, type, normalized, stride, offset):

name: 指定要赋值的attribute变量位置,

size: 指定每个顶点数据的分量个数(1或4),

type: 指定传入的数据格式,

  • gl.BYTE: 字节型, 取值范围[-128, 127]。
  • gl.SHORT: 短整型,取值范围[-32768, 32767]。
  • gl.UNSIGNED_BYTE: 无符号字节型,取值范围[0, 255]。
  • gl.UNSIGNED_SHORT: 无符号短整型, 取值范围[0, 65535]。
  • gl.FLOAT: 浮点型。

normalized: 表明是否将非浮点数的数据归入到[0, 1]或[-1, 1]区间,

stride: 指定相邻2个顶点间的字节数,默认为0,

offset: 指定缓存区对象中的偏移量,设置为0即可,

如为2,则
new Float32Array([
    1.0, 1.0,
    1.0,1.0
])
代表2个顶点
如为4,则
new Float32Array([
    1.0, 1.0, 1.0,1.0
])
代表1个顶点

现在缓存区已经存在多个顶点数据,接下来我们来启用携带缓存区数据的attribute变量,使用enableVertexAttribArray来启用对应变量。

gl.enableVertexAttribArray(name):

name: 待启动的变量指针,也就是名称,

所有的缓存区操作步骤我们都已经完成,那么接下来我们可以绘制出缓存区中的多个顶点。

gl.drawArrays(mode, first, count)

mode: 需要绘制的图像形状,

  • gl.POINTS: 绘制一个点。
  • gl.LINE_STRIP: 绘制一条直线到下一个顶点。
  • gl.LINE_LOOP: 绘制一条首尾相连的线。
  • gl.LINES: 绘制一条线。
  • gl.TRIANGLES: 绘制一个三角形。

first: 绘制的开始点,

count: 需要绘制的图形个数,

让我们先来创建多个点,上一课已经讲过,WebGL的坐标与真实坐标会有一些出入,所以我们需要转换一下,并且数据我们需要使用Float32Array对象来创建,我们创建一个三维的点数据,总数为200个。

function createPoints() {
    //波动最大幅度 10px;
    var arr = [];
    var n = 20;
    var m = 10;
    for(var i = 0; i < n; i++) {
        for(var j = 0; j < m; j++) {
            var x = webglX(-(width/2) + i*20);
            var y = webglY((height/2) - j*20);
            var z = -1;
            var item = [x, y, z];
            arr = arr.concat(item);
        }
    }
    return new Float32Array(arr)
}

接下来我们使用数据缓存区来讲此200个点一次渲染出来。

gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, createPoints(), gl.STATIC_DRAW);
我们先获取到对应的顶点着色器中的变量
var a_position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
//我们需要设置数据中的点的维度。否则会解析出错。
gl.vertexAttribPointer(a_position, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(a_position);
gl.clearColor(0.0,0.0,0.0,1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
//我们需要确定绘制的具体点的数量
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0 , 200);

看看屏幕吧,是不是出来了好多点?没错你已经成功的掌握了着色器基本编程以及数据缓存区的知识。

我们掌握了这些知识之后,下一篇让我们先来使用这些内容创建一个点的波浪吧。

扩展阅读

[1] https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebGL2RenderingContext/uniform

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原文发布于微信公众号 - 京东技术(jingdongjishu)

原文发表时间:2018-05-22

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