搭建WebGL开发环境

前言

本篇文章介绍如何搭建WebGL开发环境

WebGL

WebGL的技术规范继承自免费和开源的OpenGL ES标准，从某种意义上说，WebGL就是Web版的OpenGL ES，而OpenGL ES是从OpenGL中派生出来的。他们的应用环境有区别，一般来说：

OpenGL：一般应用于桌面级别的三维图形渲染，同类的还有微软的DirectX和苹果公司的Metal技术
OpenGL ES：OpenGL的子集，删除了很多用处不大的接口和特性，但仍然能进行三维渲染，应用于智能手机、嵌入式计算机、家用游戏机等
WebGL：从OpenGL ES派生出来的。需要浏览器内核的支持。WebGL广泛应用于所有的网页渲染。因为需要运行在浏览器上，所以浏览器在背后做了很多工作，包括跨平台的特性。

版本

既然OpenGL、OpenGL ES和WebGL存在继承关系，那必然涉及到版本信息
先看一下OpenGL的版本信息：

OpenGL 1.5：这个版本的OpenGL不支持着色器编程，采用固定渲染管线
OpenGL 2.0：这个版本加入GLSL着色器编程语言
OpenGL 3.3：2010年发布
OpenGL 4.3：2013年发布

看一下OpenGL ES的版本信息：

OpenGL ES 1.1：OpenGL 1.5的子集，应用范围有限
OpenGL ES 2.0：OpenGL 2.0的子集，应用最广泛的版本
OpenGL ES 3.0：OpenGL 3.3的子集，增加了很多新功能，包括：
- 遮挡查询
- 变缓反馈(Transform Feedback)
- 实例渲染(Instanced Rendering)
- 四个或更多渲染目标支持
- 着色语言全面支持整数和32位浮点操作
- 纹理功能大幅增强，支持浮点纹理、3D纹理、深度纹理、顶点纹理、NPOT纹理、R/RG单双通道纹理、不可变纹理、2D阵列纹理、无二次幂限制纹理、阴影对比、调配(swizzle)、LOD与mip level clamps、无缝立方体贴图、采样对象、纹理MSAA抗锯齿渲染器
- 一系列广泛的精确尺寸纹理和渲染缓冲格式

看一下WebGL的版本信息：

WebGL 1.0：基于OpenGL ES 2.0，并提供了3D图形的API，它使用HTML5Canvas并允许利用文档对象模型接口。
WebGL 2.0：WebGL 2.0基于OpenGL ES 3.0，确保了提供许多选择性的WebGL 1.0扩展，并引入新的API。可利用部分Javascript实现自动存储器管理

WebGL程序组成

一个最简单的WebGL程序之需要一个html文件和几个js文件就可以了，下面详细介绍

html部分

html主要是为了放置canvas元素，因为WebGL的渲染都是在canvas进行的。
下面是一个html部分：

<!DOCTYPE html>
<html lang="cn">
<head>
    <meta charset="utf-8">
    <title>wgl render ins</title>
</head>
<body onload="main()">
    <canvas id="wglCanvas" width="960" height="540">
        当前浏览器不支持canvas
    </canvas>
	<script src="sk_init.js"></script>
	<script src="sk_shader.js"></script>
	<script src="sk_utils.js"></script>
</body>
</html>

这个简单的不能再简单的html就已经够用了。

上面的html我们命名为main.html。从上面的html中，可以发现我们需要一个main函数，这个函数一般来说在js中实现，这也是我们WebGL程序正式开始的入口函数，我们添加一个js文件sk_init.js，并实现该函数，当然我们也需要在html中加入引用js的代码，为了保持代码的简洁，已经在上面的html中加入了该代码。

js部分

下面是sk_init.js的代码：

var gl;
function main()
{
    var canvas = document.getElementById("wglCanvas");
    gl = create3DContext(canvas);
    if(!gl)
    {
        console.log("获取webgl渲染上下文失败");
        return;
    }
    gl.clearColor(0.0,0.0,0.0,1.0);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
}

var create3DContext = function(canvas) {
	var names = ["webgl", "experimental-webgl", "webkit-3d", "moz-webgl"];
	var context = null;
	for (var ii = 0; ii < names.length; ++ii) {
		try {
			context = canvas.getContext(names[ii]);
		} catch(e) {}
		if (context) {
			break;
		}
	}
	return context;
}

上面这个代码分为几部分：

获取canvas对象
获取webgl上下文
设置canvas画布背景色
使用背景色清空绘图区

虽然代码很简单，但是这几步是所有webgl程序都需要做的事情，当前main.html已经可以运行了。不过只会显示一个黑色背景。下面我们开始加入些东西

shader

想编写一个真正可以使用的webgl程序，首先需要写shader，由于本篇文章我们着重介绍WebGL框架，所以我们只是简单说明一下，关于shader语法，会有专门文章介绍。

WebGL程序的shader一般有两个，顶点着色器和片元着色器
着色器是以字符串的形式嵌入到js文件中的

下面是两个简单的着色器代码，我们创建一个sk_shader.js存放这部分代码：
顶点着色器：

var VERTEX_SHADER=`
attribute vec4 a_Position;
uniform float u_PointSize;
void main() {
  gl_Position = a_Position;
  gl_PointSize = u_PointSize;
}`;

片元着色器：

var FRAG_SHADER=`
void main() {
  gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0);
}`;

初始化着色器

创建好了着色器以后，下一步就要初始化着色器了

加载着色器代码

我们新建一个sk_util.js文件，里面封装一些公共的方法，首先我们要添加的方法就是加载着色器代码的方法：

// gl: webgl上下文
// type: 着色器类型
// source: 着色器代码
function loadShader(gl, type, source) {
  var shader = gl.createShader(type);
  if (shader == null) {
    console.log('unable to create shader');
    return null;
  }
  gl.shaderSource(shader, source);
  gl.compileShader(shader);
  var compiled = gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS);
  if (!compiled) {
    var error = gl.getShaderInfoLog(shader);
    console.log('Failed to compile shader: ' + error);
    gl.deleteShader(shader);
    return null;
  }
  return shader;
}

加载一个着色器需要以下步骤：

创建着色器对象：使用gl.createShader接口，参数为着色器类型，着色器类型一般有两类：
- gl.VERTEX_SHADER：顶点着色器
- gl.FRAGMENT_SHADER：片元着色器
加载着色器代码：使用gl.shaderSource接口，第一个参数为第一步创建的着色器对象，第二个参数为着色器的字符串表示
编译着色器代码：使用gl.compileShader接口，参数为第一步创建的着色器对象
获取着色器编译状态，如果编译失败，获取错误信息

创建着色器程序

下面是创建着色器程序的代码：

function createProgram(gl, vshader, fshader) {
  var vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vshader);
  var fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fshader);
  if (!vertexShader || !fragmentShader) {
    return null;
  }
  var program = gl.createProgram();
  if (!program) {
    return null;
  }
  gl.attachShader(program, vertexShader);
  gl.attachShader(program, fragmentShader);
  gl.linkProgram(program);
  var linked = gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS);
  if (!linked) {
    var error = gl.getProgramInfoLog(program);
    console.log('Failed to link program: ' + error);
    gl.deleteProgram(program);
    gl.deleteShader(fragmentShader);
    gl.deleteShader(vertexShader);
    return null;
  }
  return program;
}

创建着色器程序的步骤如下：

创建着色器程序：使用gl.createProgram接口，返回着色器程序对象
关联着色器对象：使用gl.attachShader接口，第一个参数是第一步创建的着色器程序对象，第二个参数是关联的着色器对象
链接着色器程序：使用gl.linkProgram接口链接程序，参数是第一步创建的着色器程序对象
获取着色器程序链接状态，如果链接失败，获取错误信息

使用着色器对象

使用gl.useProgram接口使用我们上一步创建的着色器程序对象。
将着色器程序对象赋给gl.program，方便我们后面传递数据的时候使用

代码如下：

function initShaders(gl, vshader, fshader) {
    var program = createProgram(gl, vshader, fshader);
    if (!program) {
      console.log('Failed to create program');
      return false;
    }
    gl.useProgram(program);
    gl.program = program;
    return true;
}

经过这三步以后，着色器程序已经初始化完成了，接下来就是向着色器传递数据

传递数据

所谓的传递数据就是将内存的数据传递给显存。
一般情况下shader中使用的数据有三种：

使用attribute标记的数据，这个也叫做顶点数据，就是每个顶点都会有自己的数值
使用uniform标记的数据，这个也叫做统一数据，就是所有顶点共用的数据
使用varying标记的数据，这个是在着色器之间传递的数据

获取shader的数据标记

使用gl.getAttribLocation接口获取attribute数据的标记，第一个参数是着色器程序对象，第二个参数是数据在shader中的名称的字符串表示
使用gl.getUniformLocation接口获取uniform数据的标记，第一个参数是着色器程序对象，第二个参数是数据在shader中的名称的字符串表示

下面我们获取前面着色器程序的a_Position和u_PointSize的标记：

var u_PointSize = gl.getUniformLocation(gl.program, "u_PointSize");
if (u_PointSize < 0) {
	console.log('Failed to get the storage location of u_PointSize');
	return -1;
}
var 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;
}

从内存传递attribute数据到显存

创建缓冲区，使用gl.createBuffer()创建缓冲区
绑定缓冲区，使用gl.bindBuffer接口绑定缓冲区，第一个参数是缓冲区类型，这里我们使用gl.ARRAY_BUFFER，第二个参数是上一步创建的缓冲区
传递数据，使用gl.bufferData接口传递数据，第一参数是缓冲区类型，这里我们使用gl.ARRAY_BUFFER，第二个参数是内存数据指针，第三个参数是数据的使用方式，这里我们使用gl.STATIC_DRAW。
代码如下：

var verticesTexCoords = new Float32Array([
    -0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
    -0.5, -0.5, 0.0, 1.0,
    0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
    0.5, -0.5, 0.0, 1.0,    
  ]);
var FSIZE = verticesTexCoords.BYTES_PER_ELEMENT;
var vertexTexCoordBuffer = gl.createBuffer();
if (!vertexTexCoordBuffer) {
	console.log('Failed to create the buffer object');
	return -1;
}
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexTexCoordBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexCoords, gl.STATIC_DRAW);

传递uniform数据到显存

使用gl.uniform1f接口传递单个float数值到显存，在当前程序中用来传递u_PointSize的值
代码如下：

gl.uniform1f(u_PointSize, 10);

绑定缓冲区与attribute顶点属性

使用gl.vertexAttribPointer接口绑定缓冲区与attribute顶点属性
使用gl.enableVertexAttribArray接口开启顶点属性数组，如果不开启的话，默认会使用静态属性，就是所有顶点数据都使用一个默认的值。
代码如下：

gl.vertexAttribPointer(a_Position, 4, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, 0);
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

绘制

当前程序使用gl.drawArrays来开始绘制操作
gl.drawArrays的第一个参数是绘制的类型，我们当前程序就使用gl.POINTS方式
gl.drawArrays的第二个参数是绘制顶点的偏移，当前为0
gl.drawArrays的第三个参数是绘制顶点的数量，当前为4
代码如下：

gl.clearColor(0.0,0.0,0.0,1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 4);

代码结构调整

我们把创建WebGL上下文和初始化着色器的方法放进sk_utils.js
我们把shader字符串放进sk_shader.js
我们把传递数据的部分放进sk_init.js
main.html中需要添加对这3个js的引用，我们已经添加好了

完整的代码已经上传gitlab：
https://gitlab.com/lingyanTools/sk_webgl.git
该例子绘制了四个顶点
在这里插入图片描述

前言