WebGL简易教程(三)：绘制一个三角形(缓冲区对象)
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
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1. 概述
在上一篇教程《WebGL简易教程(二)：向着色器传输数据》中，通过向着色器(shader)传输数据，改变了绘制点的大小和颜色。之前的例子只能绘制一个点，如果需要绘制如三角形、矩形或者立方体等稍微复杂的图形，需要怎么做呢？这个时候就需要一种很方便的机制——缓冲区对象（buffer object）。
我们知道，OpenGL/WebGL进行图形工作，需要访问显存的数据。而像C或者JS这样的编程语言去申请数据，总是保存在内存中——也就是说，需要把内存中的数据传输到显存，OpenGL/WebGL才能进行绘制。数据的申请、传输、释放是一种IO操作，对IO操作而言，分段的、多次的读写操作的效率总是比不上一次总体的读写操作。缓冲区对象正是用来解决这两个问题的：我们可以一次性向缓冲区对象填充大量的顶点数据，供顶点着色器使用。
这里就通过绘制一个三角形的实例，来讲解缓冲区对象的使用。一般来说，任何三维模型的基本单位就是三角形，会绘制三角形就能绘制任意复杂的图形。
2. 示例：绘制三角形
同之前的例子一样，绘制三角形的实例包含HTML和JavaScript两个部分。
1) HelloTriangle.html
<!DOCTYPE html> <html lang="en"> <head> <meta charset="utf-8" /> <title>Hello Triangle</title> </head> <body onload="main()"> <canvas id="webgl" width="400" height="400"> Please use a browser that supports "canvas" </canvas> <script src="../lib/webgl-utils.js"></script> <script src="../lib/webgl-debug.js"></script> <script src="../lib/cuon-utils.js"></script> <script src="HelloTriangle.js"></script> </body> </html>这段HTML代码与之前的例子相比几乎没有改动，引入了需要webgl组件和主要的绘制代码HelloTriangle.js。没有特别改动的话，以后的html代码就不再介绍。
2) HelloTriangle.js
// 顶点着色器程序 var VSHADER_SOURCE = 'attribute vec4 a_Position;n' + // attribute variable 'void main() {n' + ' gl_Position = a_Position;n' + // Set the vertex coordinates of the point '}n'; // 片元着色器程序 var FSHADER_SOURCE = 'precision mediump float;n' + 'uniform vec4 u_FragColor;n' + // uniform変数 'void main() {n' + ' gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);n' + '}n'; function main() { // 获取 <canvas> 元素 var canvas = document.getElementById('webgl'); // 获取WebGL渲染上下文 var gl = getWebGLContext(canvas); if (!gl) { console.log('Failed to get the rendering context for WebGL'); return; } // 初始化着色器 if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) { console.log('Failed to intialize shaders.'); return; } // 设置顶点位置 var n = initVertexBuffers(gl); if (n < 0) { console.log('Failed to set the positions of the vertices'); return; } // 指定清空<canvas>的颜色 gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 清空<canvas> gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT); // 绘制三角形 gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3); } function initVertexBuffers(gl) { var vertices = new Float32Array([ 0, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5 ]); var n = 3; // 点的个数 // 创建缓冲区对象 var vertexBuffer = gl.createBuffer(); if (!vertexBuffer) { console.log('Failed to create the buffer object'); return -1; } // 将缓冲区对象绑定到目标 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer); // 向缓冲区对象写入数据 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; } // 将缓冲区对象分配给a_Position变量 gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0); // 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象 gl.enableVertexAttribArray(a_Position); return n; }与之前的绘制JS代码相比，着色器等大部分内容都没有变化，最主要的变化是不再通过 gl.vertexAttrib3f()函数向着色器传递数据，取而代之的是自定义了一个初始化顶点位置函数initVertexBuffers()。在这个函数中，正是通过缓冲区对象向着色器传递数据的。
3) 缓冲区对象
在函数initVertexBuffers()中，可以看到首先初始化了一个JavaScript数组（Float32Array是WebGL引入的特殊的类型化数组，能够保存大量同一种类型的元素）,它就是缓冲区需要写入的数据：
var vertices = new Float32Array([ 0, 0.5, -0.5, -0.5, 0.5, -0.5 ]);这个数据通过缓冲区对象传入顶点着色器，需要如下五个步骤：
(1) 创建缓冲区对象(gl.createBuffer())
// 创建缓冲区对象 var vertexBuffer = gl.createBuffer(); if (!vertexBuffer) { console.log('Failed to create the buffer object'); return -1; }WebGL通过gl.createBuffer()来创建缓冲区对象，它告诉WebGL系统，开辟显存空间接受内存传输过来的数据。其函数的具体说明如下：
(2) 绑定缓冲区对象(gl.bindBuffer())
// 将缓冲区对象绑定到目标 gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);由于缓冲区对象可能有多种用途，创建缓冲区之后还需要将其绑定到不同目标上，参数gl.ARRAY_BUFFER表示缓冲区对象存储的是关于顶点的数据。其绑定函数gl.bindBuffer()的具体说明如下：
(3) 将数据写入缓冲区对象(gl.bufferData())
// 向缓冲区对象写入数据 gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);这段代码的意思是将数组vertices中的数据传输到目标gl.ARRAY_BUFFER上的缓冲区对象。其函数的具体说明如下：
(4) 将缓冲区对象分配给attribute变量(gl.vertexAttribPointer())
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; } // 将缓冲区对象分配给a_Position变量 gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);正如《WebGL简易教程(二)：向着色器传输数据》介绍的，通过函数getAttribLocation()获取顶点着色器的attribute变量a_Position的地址。不同的是，这里用过函数gl.vertexAttribPointer()，将整个缓冲区对象，也就是顶点数据，一次性分配给attribute变量a_Position。其函数的具体说明如下：
(5) 开启attribute变量(gl.enableVertexAttribArray())
// 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象 gl.enableVertexAttribArray(a_Position);最后一步就非常简单了，开启attribute变量，建立缓冲区与attribute变量的连接。其函数说明如下：
通过以上五个步骤，着色器就可以根据缓冲区对象的数据进行正确的绘制了。其示意图如下：
4) 基本图形绘制
与前两篇教程中绘制点不同，这里绘制的是一个三角形：
// 绘制三角形 gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);可以看到这里同样是用的函数gl.drawArrays()进行绘制的，其具体的函数说明如下：
第二个参数和第三个参数非常简单，表示从哪个顶点数据绘制到哪个顶点数据。例如这里绘制三角形表示从第1个点绘制到第3个点。
第一个参数则非常强大，表示可以绘制的7种基本图形：
基本示意图如下：
3. 结果
用浏览器打开HelloTriangle.html，可以看到绘制了一个红色的三角形，显示效果如下所示：
4. 参考
本来部分代码和插图来自《WebGL编程指南》，源代码链接：https://share.weiyun.com/5VjlUKo ，密码：sw0x2x。会在此共享目录中持续更新后续的内容。
