初级入门 --- web GL绘制点

“ 万丈高楼平地起。”

01基础知识

一、相关术语

图元：WebGL 能够绘制的基本图形元素，包含三种：点、线段、三角形。
片元：可以理解为像素，像素着色阶段是在片元着色器中。
裁剪坐标系：裁剪坐标系是顶点着色器中的 gl_Position 内置变量接收到的坐标所在的坐标系。
设备坐标系：又名 NDC 坐标系，是裁剪坐标系各个分量对 w 分量相除得到的坐标系，特点是 x、y、z 坐标分量的取值范围都在【-1，1】之间，可以将它理解为边长为 2 的正方体，坐标系原点在正方体中心。

二、GLSL

gl_Position：内置变量，用来设置顶点的裁剪坐标系坐标，包含 X, Y, Z，W 四个坐标分量。顶点着色器接收到这个坐标之后，对它进行透视除法，即将各个分量同时除以 W，转换成 NDC 坐标，NDC 坐标每个分量的取值范围都在【-1, 1】之间，GPU 获取这个属性值作为顶点的最终位置进行绘制。
gl_PointSize：内置变量，用来设置顶点大小。只有在绘制图元是点的时候才会生效。
gl_FragColor：片元（像素）颜色，包含 R, G, B, A 四个颜色分量，且每个分量的取值范围在【0,1】之间，GPU 获取这个值作为像素的最终颜色进行着色。
gl_FragColor：内置变量，用来设置像素颜色。
attribue 变量：只能在顶点着色器中定义。
uniform 变量：既可以在顶点着色器中定义，也可以在片元着色器中定义。
最后一种变量类型 varing 变量：它用来从顶点着色器中往片元着色器传递数据。使用它我们可以在顶点着色器中声明一个变量并对其赋值，经过插值处理后，在片元着色器中取出插值后的值来使用。
vec4：4 维向量，包含四个浮点元素的容器类型，vec 是 vector（向量）的单词简写，vec4 代表包含 4 个浮点数的向量。此外，还有 vec2、vec3 等类型，代表包含2个或者3个浮点数的容器。
precision：精度设置限定符，使用此限定符设置完精度后，之后所有该数据类型都将沿用该精度，除非单独设置。
运算符：向量的对应位置进行运算，得到一个新的向量。

vec * 浮点数：vec2(x, y) * 2.0 = vec(x * 2.0, y * 2.0)。
vec2 * vec2：vec2(x1, y1) * vec2(x2, y2) = vec2(x1 * x2, y1 * y2)。
加减乘除规则基本一致。但是要注意一点，如果参与运算的是两个 vec 向量，那么这两个 vec 的维数必须相同。

GLSL 中 gl_Position 所接收的坐标所在坐标系是裁剪坐标系，不同于我们的浏览器窗口坐标系。所以当我们赋予 gl_Position 位置信息的时候，需要对其进行转换才能正确显示。

三、JAVASCRIPT程序如何向连接着色器程序

createShader：创建着色器对象
shaderSource：提供着色器源码
compileShader：编译着色器对象
createProgram：创建着色器程序
attachShader：绑定着色器对象
linkProgram：链接着色器程序
useProgram：启用着色器程序

四、JAVASCRIPT如何往着色器中传递数据

getAttribLocation：找到着色器中的 attribute 变量地址。
getUniformLocation：找到着色器中的 uniform 变量地址。
vertexAttrib2f：给 attribute 变量传递两个浮点数。
uniform4f：给uniform变量传递四个浮点数。

五、WebGL 绘制函数

drawArrays: 用指定的图元进行绘制。

gl.drawArrays 是执行绘制的 API，上面示例中的第一个参数 gl.POINTS 代表我们要绘制的是点图元，第二个参数代表要绘制的顶点的起始位置，第三个参数代表顶点绘制个数。

六、WebGL 图元

gl.POINTS: 将绘制图元类型设置成点图元。

02代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>WebGL 绘制点</title>
    <script type="x-shader/x-vertex" id="vertexShader">
        //设置浮点数精度为中等精度
        precision mediump float;
        // 接收点在canvas坐标系上的坐标（x,y）
        attribute vec2 a_Position;
        // 接受canvas 的宽高尺寸
        attribute vec2 a_Screen_Size;
        void main(){
            //start 将屏幕坐标系转化为裁剪坐标（裁剪坐标系）
            vec2 position = (a_Position / a_Screen_Size) * 2.0 - 1.0;
            position = position * vec2(1.0, -1.0);
            gl_Position = vec4(position, 0.0, 1.0);
            //end 将屏幕坐标系转化为裁剪坐标（裁剪坐标系）
            //声明要绘制的点的大小。
            gl_PointSize = 10.0;
        }
    </script>
    <script type="x-shader/x-fragment" id="fragmentShader">
        //设置浮点数精度为中等精度
        precision mediump float;
        //接收 JavaScript 传过来的颜色值（RGBA）。
        uniform vec4 u_Color;
        void main(){
            //将普通的颜色表示转化为 WebGL 需要的表示方式，即将【0-255】转化到【0,1】之间。
            vec4 color = u_Color / vec4(255, 255, 255, 1);
            gl_FragColor = color;
        }
    </script>
</head>
<body>
<canvas id="canvas"></canvas>
</body>
</html>
<script>
    function createShaderFromScript(gl, mode, id) {
        // 获取着色器源码
        var shaderSource = document.getElementById(id).innerHTML;
        // 创建着色器对象
        var shader = gl.createShader(mode);
        // 将源码分配给着色器对象
        gl.shaderSource(shader,shaderSource);
        // 编译着色器
        gl.compileShader(shader);

        return shader;
    }
    function createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader) {
        var program = gl.createProgram();
        // 将顶点着色器挂载在着色器程序上。
        gl.attachShader(program, vertexShader);
        //将片元着色器挂载在着色器程序上。
        gl.attachShader(program, fragmentShader);
        //链接着色器程序
        gl.linkProgram(program);

        return program;
    }

    var canvas = document.getElementById('canvas');
    var gl = canvas.getContext('webgl') || canvas.getContext("experimental-webgl");

    <!--region 创建着色器对象-->
    var vertexShader = createShaderFromScript(gl, gl.VERTEX_SHADER, 'vertexShader');
    var fragmentShader = createShaderFromScript(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, 'fragmentShader')
    <!--endregion-->



    <!--region 创建着色器程序-->
    //创建着色器程序
    let program = createProgram(gl, vertexShader, fragmentShader);

    // 使用刚刚创建好的着色器程序
    gl.useProgram(program);
    <!--endregion-->

    //找到顶点着色器中的变量a_Position
    var a_Position = gl.getAttribLocation(program, 'a_Position');
    //找到顶点着色器中的变量a_Screen_Size
    var a_Screen_Size = gl.getAttribLocation(program, 'a_Screen_Size');
    //找到片元着色器中的变量u_Color
    var u_Color = gl.getUniformLocation(program, 'u_Color');
    //为顶点着色器中的 a_Screen_Size 传递 canvas 的宽高信息
    gl.vertexAttrib2f(a_Screen_Size, canvas.width, canvas.height);
    //存储点击位置的数组。
    var points = [];
    function randomColor(){
        return {
            r: Math.ceil(Math.random() * 255),
            g: Math.ceil(Math.random() * 255),
            b: Math.ceil(Math.random() * 255),
            a: Math.ceil(Math.random()),
        };
    }
    canvas.addEventListener('click',e=>{
        var x = e.pageX;
        var y = e.pageY;

        var color = randomColor();

        points.push({x,y,color});
        gl.clearColor(0, 0, 0, 1.0);
        //用上一步设置的清空画布颜色清空画布。
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

        for (let i = 0; i < points.length; i++) {
            let color = points[i].color;
            gl.uniform4f(u_Color, color.r, color.g, color.b, color.a);
            //为顶点着色器中的 a_Position 传递顶点坐标。
            gl.vertexAttrib2f(a_Position, points[i].x, points[i].y);

            // 绘制点
            gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
        }
    })

    //设置清空画布颜色为黑色。
    gl.clearColor(0.0,0.0,0.0,1.0);
    //用上一步设置的清空画布颜色清空画布。
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

</script>

vec2 position = (a_Position / a_Screen_Size) * 2.0 - 1.0

上面这句代码用来将浏览器窗口坐标转换成裁剪坐标，之后通过透视除法，除以 w 值（此处为 1 ）转变成设备坐标（NDC坐标系）。这个算法首先将(x,y) 转化到【0, 1】区间，再将【0, 1】之间的值乘以 2 转化到【0, 2】区间，之后再减去 1 ，转化到【-1, 1】之间的值，即 NDC 坐标。

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