说明

【跟月影学可视化】学习笔记。

图形系统是如何绘图的？

一个通用计算机图形系统主要包括 6 个部分，分别是：

  1. 输入设备
  2. 中央处理单元：首先，数据经过 CPU 处理，成为具有特定结构的几何信息。
  3. 图形处理单元：然后，这些信息会被送到 GPU 中进行处理。
  4. 存储器
  5. 帧缓存：光栅信息会输出到帧缓存中
  6. 输出设备

【图形基础篇】04 # GPU与渲染管线：如何用WebGL绘制最简单的几何图形？_缓存

  • 光栅（​​Raster​​）：几乎所有的现代图形系统都是基于光栅来绘制图形的，光栅就是指构成图像的像素阵列。
  • 像素（​​Pixel​​）：一个像素对应图像上的一个点，它通常保存图像上的某个具体位置的颜色等信息。
  • 帧缓存（​​Frame Buffer​​）：在绘图过程中，像素信息被存放于帧缓存中，帧缓存是一块内存地址。
  • CPU（​​Central Processing Unit​​）：中央处理单元，负责逻辑计算。
  • GPU（​​Graphics Processing Unit​​）：图形处理单元，负责图形计算。

渲染管线（RenderPipelines）

在 GPU 中要经过两个步骤生成光栅信息：

  1. 对给定的数据结合绘图的场景要素（例如相机、光源、遮挡物体等等）进行计算，最终将图形变为屏幕空间的 2D 坐标。
  2. 为屏幕空间的每个像素点进行着色，把最终完成的图形输出到显示设备上。

这整个过程是一步一步进行的，前一步的输出就是后一步的输入，我们把这个过程叫做渲染管线（​​RenderPipelines​​）。

GPU 是什么？

GPU 是由大量的小型处理单元构成的，它可能远远没有 CPU 那么强大，但胜在数量众多，可以保证每个单元处理一个简单的任务。

每处理一个像素点就相当于完成了一个简单的任务，而一个图片应用又是由成千上万个像素点组成的，要处理这么多的小任务，比起使用若干个强大的 CPU，使用更小、更多的处理单元，是一种更好的处理方式。

WebGL绘图流程

【图形基础篇】04 # GPU与渲染管线：如何用WebGL绘制最简单的几何图形？_缓存_02

如何用 WebGL 绘制三角形？

浏览器提供的 WebGL API 是 OpenGL ES 的 JavaScript 绑定版本，它赋予了开发者操作 GPU 的能力。

绘制步骤：

  1. 创建 WebGL 上下文
  2. 创建 WebGL 程序（WebGL Program）
  3. 将数据存入缓冲区
  4. 将缓冲区数据读取到 GPU
  5. GPU 执行 WebGL 程序，输出结果

步骤一：创建 WebGL 上下文

const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');

步骤二：创建 WebGL 程序

WebGL 程序是一个 WebGLProgram 对象，它是给 GPU 最终运行着色器的程序，而不是我们正在写的三角形的 JavaScript 程序。

1、编写两个着色器（Shader）

WebGL 是以顶点和图元来描述图形几何信息的。

  • 顶点就是几何图形的顶点
  • 图元是 WebGL 可直接处理的图形单元，由 WebGL 的绘图模式决定，有点、线、三角形等等。

注意：图元是 WebGL 可以直接处理的图形单元，所以其他非图元的图形最终必须要转换为图元才可以被 WebGL 处理。

WebGL 绘制一个图形的过程，一般需要用到两段着色器

  • 顶点着色器（​​Vertex Shader​​）：负责处理图形的顶点信息
  • 片元着色器（​​Fragment Shader​​）：负责处理图形光栅化后的像素信息

顶点着色器的作用：

  • 通过 gl_Position 设置顶点
  • 向片元着色器传递数据：通过 varying 变量传给片元着色器，根据片元着色器的像素坐标与顶点像素坐标的相对位置做线性插值。
const vertex = `
    attribute vec2 position;

    void main() {
        gl_PointSize = 1.0;
        gl_Position = vec4(position, 1.0, 1.0);
    }
`;

const fragment = `
    precision mediump float;

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

2、创建成 shader 对象

const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertex);
gl.compileShader(vertexShader);


const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragment);
gl.compileShader(fragmentShader);

3、创建 WebGLProgram 对象

将两个 shader 关联到 WebGL 程序，将 WebGLProgram 对象链接到 WebGL 上下文对象上。

const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);

4、通过 useProgram 选择启用 WebGLProgram 对象

gl.useProgram(program);

步骤三：将数据存入缓冲区

1、WebGL 的坐标系

WebGL 的坐标系是一个三维空间坐标系，坐标原点是（0,0,0）。其中，x 轴朝右，y 轴朝上，z 轴朝外。这是一个右手坐标系。

【图形基础篇】04 # GPU与渲染管线：如何用WebGL绘制最简单的几何图形？_webgl_03


左手右手对比图

【图形基础篇】04 # GPU与渲染管线：如何用WebGL绘制最简单的几何图形？_webgl_04

2、定义三角形的三个顶点

比如要绘制下面这个二维的三角形，三个顶点分别如下：

【图形基础篇】04 # GPU与渲染管线：如何用WebGL绘制最简单的几何图形？_缓存_05

WebGL 使用的数据需要用类型数组定义，默认格式是 Float32Array。

​​Float32Array​​ 是 JavaScript 的一种类型化数组（TypedArray），JavaScript 通常用类型化数组来处理二进制缓冲区。

const points = new Float32Array([
    -1, -1,
    0, 1,
    1, -1,
]);

3、将数据写入 WebGL 的缓冲区

  1. 创建一个缓存对象
  2. 将它绑定为当前操作对象
  3. 再把当前的数据写入缓存对象
const bufferId = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, bufferId);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);

步骤四：将缓冲区数据读取到 GPU

将 buffer 的数据绑定给顶点着色器的 position 变量

// 获取顶点着色器中的position变量的地址
const vPosition = gl.getAttribLocation(program, 'position');
// 给变量设置长度和类型
gl.vertexAttribPointer(vPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
// 激活这个变量
gl.enableVertexAttribArray(vPosition);

步骤五：执行着色器程序完成绘制

调用绘图指令，就可以执行着色器程序来完成绘制

// 将当前画布的内容清除
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
// 传入三角形图元、顶点偏移量和顶点数量进行绘制
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, points.length / 2);

完整代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>如何用WebGL绘制最简单的几何图形</title>
    <style>canvas {
            border: 1px dashed salmon;
        }</style>
</head>
<body>
    <canvas width="240" height="240"></canvas>
    <script>// 获取 webgl 上下文
        const canvas = document.querySelector('canvas');
        const gl = canvas.getContext('webgl');
        // 顶点着色器代码片段：attribute 表示声明变量，vec2 是变量的类型，它表示一个二维向量，position 是变量名。
        const vertex = `
            attribute vec2 position;

            void main() {
                gl_PointSize = 1.0;
                gl_Position = vec4(position, 1.0, 1.0);
            }
        `;
        // 片元着色器代码片段：gl_FragColor 的值来定义和改变图形的颜色，RGBA 色值表示的四维向量数据
        // rgba(250,128,114,1) vec4(250/255, 128/255, 114/255, 1)
        const fragment = `
            precision mediump float;

            void main() {
                gl_FragColor = vec4(0.9803921568627451, 0.5019607843137255, 0.4470588235294118, 1);
            }    
        `;
        // 将着色器代码片段创建成 shader 对象
        const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
        gl.shaderSource(vertexShader, vertex);
        gl.compileShader(vertexShader);

        const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
        gl.shaderSource(fragmentShader, fragment);
        gl.compileShader(fragmentShader);
        
        // 创建 WebGLProgram 对象
        const program = gl.createProgram();
        // 将两个 shader 关联到 WebGL 程序
        gl.attachShader(program, vertexShader);
        gl.attachShader(program, fragmentShader);
        // 将 WebGLProgram 对象链接到 WebGL 上下文对象上
        gl.linkProgram(program);
        // 通过 useProgram 选择启用 WebGLProgram 对象
        gl.useProgram(program);

        // 定义三角形的三个顶点
        const points = new Float32Array([
            -1, -1,
            0, 1,
            1, -1,
        ]);
        console.log("points---->", points)

        // 创建一个缓存对象
        const bufferId = gl.createBuffer();
        // 将它绑定为当前操作对象
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, bufferId);
        // 再把当前的数据写入缓存对象
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, points, gl.STATIC_DRAW);

        // 获取顶点着色器中的position变量的地址
        const vPosition = gl.getAttribLocation(program, 'position');
        console.log("vPosition---->", vPosition)
        // 给变量设置长度和类型
        gl.vertexAttribPointer(vPosition, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
        // 激活这个变量
        gl.enableVertexAttribArray(vPosition);

        // 将当前画布的内容清除
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
        // 传入三角形图元、顶点偏移量和顶点数量进行绘制
        gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, points.length / 2);</script>
</body>
</html>

【图形基础篇】04 # GPU与渲染管线：如何用WebGL绘制最简单的几何图形？_渲染管线_06

参考资料