WebGL簡易教程(二)：向著色器傳輸數據
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
1. 概述
在上一篇教程《WebGL簡易教程(一)：第一個簡單示例》中，通過一個繪製點的例子，對WebGL中的可編程渲染管線有了個基本的認識。在之前繪製點的例子中，點的位置，點的大小，點的顏色，都是固定寫在著色器中的，這樣的程式是缺乏可擴展性的。
比如我想繪製一張地形（DEM），平時地形數據是保存在地形文件之中的。被程式載入之後，數據資訊首先要被讀取到記憶體，然後傳遞給顯示記憶體，最後由顯示卡進行繪製。渲染管線之所以靈活強大，正是由於可以向負責繪製工作的著色器傳遞數據。
2. 示例：繪製一個點(改進版)
在上一篇繪製點例子之上進行改進，改進後的HelloPoint1.js程式碼如下：
// 頂點著色器程式 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 ' gl_PointSize = 10.0;n' + // Set the point size '}n'; // 片元著色器程式 var FSHADER_SOURCE = 'precision mediump float;n' + 'uniform vec4 u_FragColor;n' + // uniform変數 'void main() {n' + ' gl_FragColor = u_FragColor;n' + // Set the point color '}n'; function main() { // 獲取 <canvas> 元素 var canvas = document.getElementById('webgl'); // 獲取WebGL渲染上下文 var gl = getWebGLContext(canvas); if (!gl) { console.log('Failed to get the rendering context for WebGL'); return; } // 初始化著色器 if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) { console.log('Failed to intialize shaders.'); return; } // 獲取attribute變數的存儲位置 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; } // 將頂點位置傳輸給attribute變數 gl.vertexAttrib3f(a_Position, 0.5, 0.5, 0.0); //獲取u_FragColor變數的存儲地址 var u_FragColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_FragColor'); if (!u_FragColor) { console.log('Failed to get the storage location of u_FragColor'); return; } //將點的顏色傳入到u_FragColor變數中 gl.uniform4f(u_FragColor, 0.0, 0.8, 0.0, 1.0); // 指定清空<canvas>的顏色 gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 清空<canvas> gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT); // 繪製一個點 gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, 1); }1) attribute變數
在頂點著色器中，可以看到聲明了一個attribute的全局變數a_Position，並且將這其賦值給gl_Position：
// 頂點著色器程式 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 ' gl_PointSize = 10.0;n' + // Set the point size '}n';attribute是glsl中三種變數聲明之一，代表的是與頂點相關的數據，只能用在頂點著色器中。這個變數存儲了從外部傳輸進頂點著色器的數據。
在shader中定義好attribute變數之後，還需要通過JS與shader進行交互。通過WebGL的渲染上下文變數gl，可以得到獲取attribute變數的存儲地址的方法getAttribLocation（），其定義如下：
通過這個函數，獲取著色器中attribute變數的位置：
// 獲取attribute變數的存儲位置 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; }獲取地址之後，就可以向attribute變數傳送數據了。通過使用gl. vertexAttrib3f()函數來向著色器傳入值。這裡將想要繪製點的位置傳送給頂點著色器。
// 將頂點位置傳輸給attribute變數 gl.vertexAttrib3f(a_Position, 0.5, 0.5, 0.0);其函數定義如下：
注意這個函數是有一系列的同族函數，都是以基礎函數名+參數個數+參數類型來命名的，以應付傳輸不同的數據。具體可以查閱WebGL的API。
2) uniform變數
同樣的，在片元著色器中，聲明了一個全局的uniform變數u_FragColor，並將其賦值給gl_FragColor：
// 片元著色器程式 var FSHADER_SOURCE = 'precision mediump float;n' + 'uniform vec4 u_FragColor;n' + // uniform変數 'void main() {n' + ' gl_FragColor = u_FragColor;n' + // Set the point color '}n';uniform是glsl中另外一種變數聲明，表示的是JavaScript程式向頂點著色器和片元著色器傳輸的一致的(不變的)數據；也就是是說這種變數既可以用在頂點著色器也可以用於片元著色器。
與attribute變數類似，uniform變數也是先獲取其地址，然後向其傳值。這裡將想要繪製的顏色傳送給片元著色器：
//獲取u_FragColor變數的存儲地址 var u_FragColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_FragColor'); if (!u_FragColor) { console.log('Failed to get the storage location of u_FragColor'); return; } //將點的顏色傳入到u_FragColor變數中 gl.uniform4f(u_FragColor, 0.0, 0.8, 0.0, 1.0);可以看到uniform變數是通過gl.getUniformLocation（）函數獲取地址，gl.uniform4f()變數傳送數據的。它們的函數定義如下：
3) varying變數
除了attribute變數和uniform變數之外，還有一種varying變數，它表示的是從頂點著色器流向片元著色器可變的變數。這一點會在以後講到。如下所示為向著色器傳輸數據的方式：
3. 結果
再次打開HelloPoint1.html，其顯示結果如下：
可以看到點的位置發生了變化，同時顏色也從紅色變成了綠色。位置資訊和顏色資訊不再是硬編碼在著色器中，而是從外部傳入的。
4. 參考
本來部分程式碼和插圖來自《WebGL編程指南》，源程式碼鏈接：https://share.weiyun.com/5VjlUKo ，密碼：sw0x2x。會在此共享目錄中持續更新後續的內容。
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