【WebGL之巅】17-颜色与纹理-绘制彩色与渐变三角形

对应《WebGL编程指南》代码：19-ColoredTriangle

要点：【WebGL之巅】17-颜色与纹理-绘制三个不同颜色的顶点、gl.drawArrays、几何形状的装配和光栅化

知识点

一、几何形状的装配和光栅化

在顶点着色器和片元着色器之间，有这样两个步骤：

图形装配过程：这一步是将两个孤立的顶点坐标装配成几何图形。几何图形的类比由gl.drawArrays的第一个参数决定

光栅化过程：将装配好的几何图形转化为片元。

通过上图可以理解，gl_Position实际上是几何图形装配阶段的输入数据。注意几何图形装配过程又被称为图元装配过程，因为被装配出的基本图形（点线面）又被称为图元。

下图展示了顶点着色器和片元着色器之间图形装配与光栅化的过程。

总结下来就是：
（1）根据 gl.drawArrays()的参数n，将执行顶点着色器n次（执行顶点着色器结果：将坐标传入并存储在装配区）
（2）开始装配图形。使用传入的点坐标，根据 gl.drawArrays()的第一个参数信息（如：gl.TRANGLES）来决定如何装配。
（3）光栅化：将图形转化为片元（像素），片元数目就是这个三角形最终在屏幕上所覆盖的像素数。

二、调用片元着色

一旦光栅化过程结束后，程序就开始逐片调用片元着色器，有多少像素就调用多少次，每次处理一个片元。对于每个片元，片元着色器计算出该片元的颜色并写入颜色缓冲区，直到最后一个片元处理完成，浏览器会显示出最终结果。

为了证明片元着色器对每个片元都执行了一次，实例2根据片元的位置来确定片元颜色。

三、varying变量的作用和颜色内插过程

顶点着色器的varying变量v_Color在传入片元着色器之前经过了内插过程，所以，片元着色器中的v_Color与顶点着色器中的v_Color实际上并不是一回事。这也正是将这种变量称为“varying”（变化的）变量的原因。

例如：考虑一条两个端点的颜色不同的线段。一个端点为红色，另一个为蓝色。我们在顶点着色器变量中向varying变量v_Color赋上这两个颜色，那么WebGL就会自动地计算出线段上所有的点（片元/像素）的颜色，并赋值给片元着色器中的varying变量v_Color，如下图所示：

在这个例子中RGBA中的R值从1.0降低到0.0，B值从0.0上升到1.0，线段上所有的片元颜色值都会被恰当地计算出来——这个过程就被称为内插过程。

实例1

对比【WebGL之巅】17-颜色与纹理-绘制三个不同颜色的顶点只修改了第52行gl.drawArrays的第一个参数


//ColoredTriangle.js
var VSHADER_SOURCE =
    'attribute vec4 a_Position;\n' +
    'attribute vec4 a_Color;\n' +
    'varying vec4 v_Color;\n' +
    'void main() {\n' +
    'gl_Position = a_Position;\n' +
    'gl_PointSize = 10.0;\n' +
    'v_Color = a_Color;\n' +
    '}\n';

var FSHADER_SOURCE=
    'precision mediump float;\n' +//!!! 需要声明浮点数精度，否则报错No precision specified for (float)  
    'varying vec4 v_Color;\n' +
    'void main(){\n'+
    'gl_FragColor = v_Color;\n'+
    '}\n';

function main() {

    var canvas = document.getElementById("webgl");
    if (!canvas) {
        console.log("Failed to retrieve the <canvas> element");
        return;
    }

    var gl = getWebGLContext(canvas);
    if (!gl) {
        console.log("Failed to get the rendering context for WebGL");
        return;
    }

    if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
        console.log("Failed to initialize 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>颜色
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

    //清空<canvas>
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);
}

function initVertexBuffers(gl) {
    var verticesColors = new Float32Array(
        [0.0, 0.5, 1.0, 0.0, 0.0,
        -0.5, -0.5, 0.0, 1.0, 0.0,
        0.5, -0.5, 0.0, 0.0, 1.0]
    );
    var n=3; //点的个数


    //创建缓冲区对象
    var verteColorBuffer = gl.createBuffer();
    if(!verteColorBuffer){
        console.log("Failed to create thie buffer object");
        return -1;
    }
    //将缓冲区对象保存到目标上
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, verteColorBuffer);

    //向缓存对象写入数据
    gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);

    var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT;

    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_Postion变量
    gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE*5, 0);
    //连接a_Postion变量与分配给它的缓冲区对象
    gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

    var a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
    if(a_Color < 0){
        console.log("Failed to get the storage location of a_Position");
        return -1;
    }

    gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE*5, FSIZE*2);
    gl.enableVertexAttribArray(a_Color);

    return n;
}

效果

实例2

根据片元的位置来确定片元颜色。该程序在【WebGL之巅】07-绘制三角形基础上修改。

修改代码1：

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE=
    'precision mediump float;\n'+
    'uniform float u_Width;\n'+
    'uniform float u_Height;\n'+
    'void main(){'+
        // 'gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);'+
        'gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.x/u_Width,0.0,gl_FragCoord.y/u_Height,1.0);\n' +
    '}';

分析：

gl_FragCoord：该内置变量的第一个分量和第二个分量表示片元在canvas坐标系统中的坐标值。

修改代码2：

// HelloTriangle_FragCoord
var u_Width = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Width');
var u_Height = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Height');
gl.uniform1f(u_Width, gl.drawingBufferWidth);
gl.uniform1f(u_Height, gl.drawingBufferHeight);

gl.drawingBufferWidth：颜色缓冲区的宽度

gl.drawingBufferHeight：颜色缓冲区的高度

完整代码：

// HelloTriangle_FragCoord.js
// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
    'attribute vec4 a_Position;'+
    'void main(){'+
        'gl_Position=a_Position;'+
        // 'gl_PointSize=10.0;'+   // 修改1 绘制单个点时起作用
    '}';

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE=
    'precision mediump float;\n'+
    'uniform float u_Width;\n'+
    'uniform float u_Height;\n'+
    'void main(){'+
        // 'gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);'+
        'gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.x/u_Width,0.0,gl_FragCoord.y/u_Height,1.0);\n' +
    '}';

function main() {
    // 获取canvas元素
    var canvas = document.getElementById("webgl");
    if(!canvas){
        console.log("Failed to retrieve the <canvas> element");
        return;
    }

    // 获取WebGL绘图上下文
    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 initialize 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>颜色
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

    // 清空<canvas>
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

    // 修改2 绘制三角形 
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);     // 三角形
    // gl.drawArrays(gl.LINE_LOOP, 0, n);  // 三角框
}

function initVertexBuffers(gl) {
    var vertices = new Float32Array([
        0.0, 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 thie buffer object");
        return -1;
    }

    // 将缓冲区对象保存到目标上
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);

    // 向缓存对象写入数据
    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_Postion变量
    gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

    // HelloTriangle_FragCoord
    var u_Width = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Width');
    var u_Height = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Height');
    gl.uniform1f(u_Width, gl.drawingBufferWidth);
    gl.uniform1f(u_Height, gl.drawingBufferHeight);

    // 连接a_Postion变量与分配给它的缓冲区对象
    gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

    return n;
}

效果

从左上方到右下方的渐变效果

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知识点

一、几何形状的装配和光栅化

二、调用片元着色

三、varying变量的作用和颜色内插过程

实例1

效果

实例2

效果

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