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圖解WebGL和Three.js工作原理和流程

零到壹度原創: 2018-04-12 15:51:532560瀏覽

本篇文章給大家分享的內容是圖解WebGL和Three.js運作原理和流程，有著一定的參考價值，有需要的朋友可以參考一下

一、我們講什麼？

我們講兩個東西：
1、WebGL背後的工作原理是什麼？
2、以Three.js為例，講述框架在背後扮演什麼樣的角色？

二、我們為什麼要了解原理？

我們假定你對WebGL已經有一定了解，或者用Three.js做了一些東西，這個時候，你可能碰到了這樣一些問題：
1、很多東西還是做不出來，甚至沒有任何想法；
2、碰到bug無法解決，甚至沒有方向；
3、效能出現問題，完全不知道如何優化。
這個時候，我們需要了解更多。

三、先了解一個基礎概念

1、什麼是矩陣？
簡單說來，矩陣用於座標變換，如下圖：

2、那它具體是怎麼變換的呢，如下圖：

3、舉個實例，將座標平移2，如下圖：

如果這時候，你還是沒有理解，沒有關係，你只需要知道，矩陣用於座標變換。

四、WebGL的工作原理

4.1、WebGL API

在了解新技術之前，我們都會先看看它的開發文件或者API。
查看Canvas的繪圖API，我們會發現它能畫直線、長方形、圓、弧線、貝塞爾曲線。
於是，我們看了看WebGL繪圖API，發現：

它只能會點、線、三角形？一定是我看錯了。
沒有，你沒看錯。

就算是這樣一個複雜的模型，也是一個個三角形畫出來的。

4.2、WebGL繪製流程

簡單說來，WebGL繪製過程包含以下三個步驟：
1、取得頂點座標
2、圖元組裝（即畫出一個三角形）
3、光柵化（產生片元，即一個個像素點）

接下來，我們逐步解說每個步驟。

4.2.1、取得頂點座標

頂點座標從何而來呢？一個立方體還好說，如果是機器人呢？
沒錯，我們不會一個一個寫這些座標。
往往它來自三維軟體匯出，或是框架生成，如下圖：

寫入快取區是啥？
沒錯，為了簡化流程，之前我沒有介紹。
由於頂點資料往往成千上萬，在取得到頂點座標後，我們通常會將它儲存在顯存，也就是快取區內，方便GPU更快讀取。

4.2.2、圖元組裝

我們已經知道，圖元組裝就是由頂點產生一個個圖元（即三角形）。那這個過程是自動完成的嗎？答案是並非完全如此。
為了讓我們有更高的可控性，也就是自由控制頂點位置，WebGL把這個權力交給了我們，這就是可程式渲染管線（不用理解）。
WebGL要我們先處理頂點，那要怎麼處理呢？我們先看下圖：

我們引入了一個新的名詞，叫做“頂點著色器”，它由opengl es編寫，由javascript以字串的形式定義並傳遞給GPU生成。
例如如下就是一段頂點著色器程式碼：

attribute vec4 position;
void main() {
  gl_Position = position; 
}

attribute修饰符用于声明由浏览器（javascript）传输给顶点着色器的变量值；
position即我们定义的顶点坐标；
gl_Position是一个内建的传出变量。
这段代码什么也没做，如果是绘制2d图形，没问题，但如果是绘制3d图形，即传入的顶点坐标是一个三维坐标，我们则需要转换成屏幕坐标。
比如：v(-0.5, 0.0, 1.0)转换为p(0.2, -0.4)，这个过程类似我们用相机拍照。

4.2.2.1、顶点着色器处理流程

回到刚才的话题，顶点着色器是如何处理顶点坐标的呢？

如上图，顶点着色器会先将坐标转换完毕，然后由GPU进行图元装配，有多少顶点，这段顶点着色器程序就运行了多少次。
你可能留意到，这时候顶点着色器变为：

##1
2
3
4

attribute vec4 position;
uniform mat4 matrix;
void main() {
  gl_Position = position * matrix; 
}

这就是应用了矩阵matrix，将三维世界坐标转换成屏幕坐标，这个矩阵叫投影矩阵，由javascript传入，至于这个matrix怎么生成，我们暂且不讨论。

4.2.3、光栅化

和图元装配类似，光栅化也是可控的。

在图元生成完毕之后，我们需要给模型“上色”，而完成这部分工作的，则是运行在GPU的“片元着色器”来完成。
它同样是一段opengl es程序，模型看起来是什么质地（颜色、漫反射贴图等）、灯光等由片元着色器来计算。
如下是一段简单的片元着色器代码：

precision mediump float; 
void main(void) {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
}

gl_FragColor即輸出的顏色值。

4.2.3.1、片元著色器處理流程

片元著色器具體是如何控制顏色產生的呢？

如上圖，頂點著色器是有多少頂點，運行了多少次，而片元著色器則是，產生多少片元（像素），運行多少次。

4.3、WebGL的完整工作流程

至此，實質上，WebGL經歷瞭如下處理流程：
1、準備資料階段
在這個階段，我們需要提供頂點座標、索引（三角形繪製順序）、uv（決定貼圖座標）、法線（決定光照效果），以及各種矩陣（例如投影矩陣）。
其中頂點資料儲存在快取區（因為數量龐大），以修飾符attribute傳遞給頂點著色器；
矩陣則以修飾符uniform傳遞給頂點著色器。
2、產生頂點著色器
根據我們需要，由Javascript定義一段頂點著色器（opengl es）程式的字串，產生並且編譯成一段著色器程式傳遞給GPU。
3、圖元組裝
GPU根據頂點數量，挨個執行頂點著色器程序，產生頂點最終的座標，完成座標轉換。
4、生成片元著色器
模型是什麼顏色，看起來是什麼質地，光照效果，陰影（流程較複雜，需要先渲染到紋理，可以先不關注），都在這個階段處理。
5、光柵化
能過片元著色器，我們確定好了每個片元的顏色，以及根據深度緩存區判斷哪些片元被擋住了，不需要渲染，最終將片元資訊儲存到顏色快取區，最終完成整個渲染。