WebGL API详解

一、应用场景

WebGL可以通过在浏览器中嵌入3D图像来改善Web界面的用户体验，可用于各种不同的应用程序，如游戏、虚拟现实、数据可视化等等。使用WebGL的网站和应用程序可以在不需要安装附加软件的情况下将3D场景直接嵌入网页。这意味着用户可以立即查看、操纵和与3D内容交互，而无需等待大型3D文件的下载或浏览器插件的安装。

WebGL API名称的前缀”Web”表明了它对Web技术生态系统的重要性。由于WebGL的存在，开发者可以使用一个平台适应性的API创建3D和2D应用程序，这些应用程序可以在多个设备和操作系统上运行。

二、基本概念

WebGL将绘图命令发送到GPU进行并行计算。WebGL的图形绘制过程由JavaScript代码、顶点着色器和片元着色器组成。

顶点着色器处理输入顶点数据并输出转换后的顶点数据。片元着色器处理每个像素的颜色信息，并输出颜色到屏幕。

WebGL使用缓冲区对象存储顶点和色彩数据。缓冲区对象是一块存储在GPU的内存，顶点和颜色数据可以直接从CPU转移到GPU的内存空间中。 使用缓冲区对象的WebGL代码如下：

//创建缓冲区对象
var vertexBuffer = gl.createBuffer();
//绑定缓冲区对象
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
//数据传输
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

三、绘制基础图形

WebGL支持通过指定顶点坐标、颜色和纹理坐标等手段绘制不同类型的基础图形，如点、线和三角形。下面以绘制三角形为例，介绍WebGL的绘制基础图形相关代码：

// 顶点着色器
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  gl_Position = a_Position;\n' +
  '}\n';

// 片元着色器
var FSHADER_SOURCE =
  'void main() {\n' +
  '  gl_FragColor = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0);\n' +
  '}\n';

var n = initVertexBuffers(gl);
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);

function initVertexBuffers(gl) {
  var vertices = new Float32Array([
    -0.5, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5 
  ]);
  var n = 3;
  var vertexBuffer = gl.createBuffer();
  if (!vertexBuffer) {
    console.log('Failed to create the buffer object');
    return -1;
  }
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);
  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;
  }
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
  return n;
}

四、纹理与混合

WebGL通过贴图的技术，可以在几何图形表面上显示图片。为了绘制一个有纹理的三角形，需要将纹理坐标与每个三角形顶点相关联。下面是WebGL绘制带有图片纹理的三角形的代码：

//定义顶点坐标和纹理坐标缓冲区
var vertexTexCoordBuffer = gl.createBuffer();

//获取attribute变量和uniform变量的存储地址
var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
var a_TexCoord = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_TexCoord');
var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, 0);
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
gl.vertexAttribPointer(a_TexCoord, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, FSIZE * 2);
gl.enableVertexAttribArray(a_TexCoord);

//准备加载图片纹理
var texture = gl.createTexture();
var u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler');

loadTexture(gl, n, texture, u_Sampler, image);

//为片元着色器指定混合方式
gl.enable(gl.BLEND);
gl.blendFunc(gl.SRC_ALPHA, gl.ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, n);

五、顶点着色器和片元着色器

WebGL的着色器是WebGL程序的核心。着色器代码要求编写者有着至少基本的图形知识以及对WebGL API的工作方式有所了解。

下面是一个简单的片元着色器，用来绘制一个红色的正方形：

precision mediump float;
uniform vec4 uColor;
void main(void) {
  gl_FragColor = uColor;
}

六、高级技巧

WebGL还有许多高级技巧，例如近裁剪平面和远裁剪平面。

近裁剪平面和远裁剪平面用于限制图形的显示范围。WebGL使用透视投影将三维图形转换为二维图形，从而使远处的对象看起来更小，近处的对象看起来更大。下面的代码片段显示了如何设置近裁剪平面和远裁剪平面：

//定义透视投影矩阵
var perspectiveMatrix = new Float32Array([
    1.0/ratio, 0, 0, 0, 
    0, 1.0, 0, 0,
    0, 0, -(zFar + zNear) / (zFar - zNear), -2.0*zFar*zNear/(zFar - zNear),
    0, 0, -1.0, 0
]);
//将透视投影矩阵传递给uniform变量
var u_ProjMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_ProjMatrix');
gl.uniformMatrix4fv(u_ProjMatrix, false, perspectiveMatrix);

七、总结

WebGL API是一种强大的工具，可以在Web浏览器中快速创建交互式3D和2D图形。本文从多个方面对WebGL API进行了详细的阐述，包括应用场景、基本概念、绘制基础图形、纹理与混合、顶点着色器和片元着色器、以及高级技巧等内容。我们希望能够帮助开发者更好地理解WebGL API，并能够应用到实际的Web开发中。