webgl 系列 —— 三角形

三角形

有人说三维模型的基本单元是三角形。比如复杂的游戏角色，也只是用许多三角形画出来的。

不管上述说法是否属实，本篇先把三角形画出来。

如何绘制一个三角形

鼠标点击绘点示例我们写了这样的代码：

points.forEach(item => {
    gl.vertexAttrib3f(a_Position, item.x, item.y, 0.0);
    gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1);
})

这种方法一次只能绘制一个点。

比如需要绘制一个三角形，应该是一个连贯的动作。比如在顶点着色器中一次性画三个点，然后用线连接；而不是绘制一个点，在绘制一个点，在绘制一个点...，不应该是零散的

Tip：提前透露 - 只要一次性将三个点绘制出来，其实三角形也就画出来了。

一次性绘制多个顶点可以使用缓冲区对象。

缓冲区对象

可以使用 webgl 中的缓冲区对象(buffer object) 一次性的向着色器传入多个顶点数据。

使用缓冲区对象向顶点着色器传入多个顶点数据，需要如下5个步骤：

1. 创建缓冲区对象
2. 绑定缓冲区对象
3. 写入数据到缓冲区对象
4. 分配缓冲区对象给一个 attribute 变量
5. 开启 attribute 变量

一次绘制三个点

效果

实现

完整代码如下：

// 一次绘制三个点

const VSHADER_SOURCE = `
attribute vec4 a_Position;
void main() {
  gl_Position = a_Position;
  gl_PointSize = 10.0;               
}
`

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

function main() {
    const canvas = document.getElementById('webgl');
    const gl = canvas.getContext("webgl");
    if (!gl) {
        console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
        return;
    }

    if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
        console.log('Failed to intialize shaders.');
        return;
    }

    gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    // 顶点数据
    const vertices = {
        // 顶点数据。Float32Array 当做普通数组，对应 C 语言的 float
        data: new Float32Array([
            0.0, 0.5,
            -0.5, -0.5,
            0.5, -0.5
        ]),
        // 顶点数
        vertexNumber: 3,
        // 每个顶点分量数，例如第一个点(0.0, 0.5)
        count: 2,
    }

    // 将顶点的位置写入顶点着色器
    initVertexBuffers(gl, vertices)

    // gl.drawArrays(mode, first, count) 
    // 还是画点（gl.POINTS），从缓冲区的第一个位置（0）开始画，绘制3（vertices.vertexNumber）个点
    gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber);
}

// 将三个顶点通过缓冲对象一次写入着色器
function initVertexBuffers(gl, {data, count}) {
    // 1. 创建缓冲区对象
    const vertexBuffer = gl.createBuffer();
    if (!vertexBuffer) {
        console.log('创建缓冲区对象失败');
        return -1;
    }

    // 绑定缓冲区对象绑定到`目标`。只能通过目标向缓冲区写数据
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);

    // 将数据写入缓冲区
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

    const 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;
    }

    // 将整个缓冲区对象分配给 atttibute(a_Position) 变量
    gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, 0, 0);

    // 激活 attribute 变量，使缓冲区对 attribute 变量分配生效
    gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
}

通过 initVertexBuffers() 将3个顶点分配给 attribute 变量，执行 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber) 时，顶点着色器执行了3次。顶点着色器执行过程和缓冲区数据传入过程如下：

绘制出所有点后，颜色缓冲区的内容就会自动显示在浏览器中。

initVertexBuffers() 里面涉及了许多概念和api，请往下阅读。

Float32Array

绘制三维图形 webgl 需要处理大量相同的数据，例如顶点坐标。为了优化性能，就引入了一种特殊的数组（类型化数组），浏览器事先知道数组中的数据类型，处理起来就更有效率。

Float32Array 就是其中一种类型化数组，通常用于存储顶点坐标或颜色。

Tip: webgl 中很多操作都需要用到类型化数组。

webgl 中有如下类型化数组：

数组类型	每个元素所占字节数	对应C语言的数据类型
Int8Array	1	8 位有符号整数
Uint8Array	1	8 位无符号整型
Int16Array	2	16 位有符号整数
Uint16Array	2	16 位无符号整型
Int32Array	4	32 位有符号的整型
Uint32Array	4	32 位无符号的整型
Float32Array	4	32 位的浮点数 float
Float64Array	8	64 位的浮点数 double

bindBuffer

gl.bindBuffer(target, buffer) - 绑定缓冲区。例如示例中的： gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);

为什么要将绑定缓冲区对象？不能直接向缓冲区写入数据，只能通过目标写入数据。就像这样：

目标表示缓冲区的用途。例如这里的 gl.ARRAY_BUFFER 指包含顶点属性（例如顶点坐标、纹理坐标数据或顶点颜色数据）的缓冲区。

bufferData

gl.bufferData(target, size, usage) - 将数据写入缓冲区。例如示例中的：gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

gl.STATIC_DRAW 是 usage 中的一种，指缓冲区的内容可能经常使用，而不会经常更改。内容被写入缓冲区，但不被读取。

此方法执行后，webgl 系统内部状态如下：

vertexAttribPointer

g.vertexAttribPointer(index, size, type, normalized, stride, offset) - 将整个缓冲区对象分配给 atttibute 变量。

例如示例中的：

// count - 指定缓冲区每个顶点的分量个数，缺少则按照 vertexAttrib3f 的补全方式
// gl.FLOAT 与上文的 Float32Array 对应
// normalized - 对于类型gl.FLOAT和gl.HALF_FLOAT，此参数无效
// stride - 指定相邻两个顶点间的字节数。默认为0
// offset - 指定缓冲区对象中的偏移量。即attribute 从缓冲区何处开始存储
gl.vertexAttribPointer(a_Position, count, gl.FLOAT, false, 0, 0);

此方法执行后，webgl 系统内部状态如下：

疑惑: 说vertexAttribPointer最后一个参数(offset)必须是类型的字节长度的倍数。尝试将 0 改成 4，效果却是：

enableVertexAttribArray

gl.enableVertexAttribArray(index) - 激活 attribute 变量，使缓冲区对 attribute 变量分配生效。

此方法执行后，webgl 系统内部状态如下：

drawArrays

gl.drawArrays(mode, first, count) - 执行顶点着色器，按照 mode 指定的参数绘制图形。first 指定从哪个点开始绘制，count 指绘制需要几个点。

能绘制的图形有：

Tip: drawArrays 更多细节请看这里

三角形

只要一次性将三个点绘制出来，其实三角形也就画出来了。

修改上面示例一行代码就好（gl.POINTS -> gl.LINE_LOOP）：

// 前
gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, vertices.vertexNumber);

// 后
gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP, 0, vertices.vertexNumber);

效果如下：

矩形

效果如下：

核心代码如下：

    // 定义四个点
    const vertices = {
        data: new Float32Array([
            -0.5, 0.5,
            -0.5, -0.5,
            0.5, 0.5,
            0.5, -0.5,
        ]),
        // 顶点数
        vertexNumber: 4,
        count: 2,
    }

    initVertexBuffers(gl, vertices)
    // TRIANGLE_STRIP
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, vertices.vertexNumber);

Tip：四个点的顺序有要求

三角扇

效果如下：

在矩形的基础上，改为 gl.TRIANGLE_FAN 即可。

Tip：GL_TRIANGLE_FAN - 绘制各三角形形成一个扇形序列，以 v0 为起点：(v0, v1, v2)、(v0, v2, v3)、(v0, v3, v4)