WebGL 图形管道

简介

WebGL（Web Graphics Library）是一种基于Web技术的图形库，它借鉴了OpenGL ES图形库的API设计风格，同时通过JavaScript绑定了JavaScript环境下的GLSL着色语言。WebGL图形管道是WebGL渲染流程的核心，它决定了对于输入数据的操作方式和整个渲染流程，是WebGL能够进行高性能渲染的关键。

图形管道概述

WebGL 图形管道主要包含两个部分：

1. 顶点着色器阶段，负责对输入的顶点数据进行变换，最终得到的顶点坐标为需要在物理空间中绘制的坐标；
2. 片段着色器阶段，负责对输入的片段数据进行颜色计算，最终得到每个片段的颜色值。

在图形管道的每个阶段，都可以使用不同的OpenGL ES函数进行操作，如矩阵变换函数、颜色计算函数等。

顶点着色器阶段

顶点着色器阶段是WebGL图形管道中的第一个阶段，它负责对输入的顶点数据进行操作，包括坐标变换和颜色计算。

顶点数据输入

在顶点着色器阶段，我们需要定义输入的顶点数据类型和相关属性，包括顶点坐标、颜色、法线等。

attribute vec3 aPosition; // 顶点坐标
attribute vec4 aColor; // 顶点颜色
attribute vec3 aNormal; // 顶点法线

顶点坐标变换

顶点坐标变换是顶点着色器阶段中最重要的操作，它将输入的顶点坐标进行变换，得到最终需要绘制在屏幕上的坐标。

uniform mat4 uModelMatrix; // 模型矩阵
uniform mat4 uViewMatrix; // 视图矩阵
uniform mat4 uProjectionMatrix; // 投影矩阵

void main() {
  // 定义变量vPosition为4元素向量
  vec4 vPosition = vec4(aPosition, 1.0);
  // 将顶点坐标从局部空间转换到世界空间
  vPosition = uModelMatrix * vPosition;
  // 将顶点坐标从世界空间转换到摄像机空间
  vPosition = uViewMatrix * vPosition;
  // 将顶点坐标从摄像机空间转换到裁剪空间
  vPosition = uProjectionMatrix * vPosition;
  // 将顶点坐标从裁剪空间转换到屏幕空间
  gl_Position = vPosition;
}

顶点颜色计算

顶点颜色计算是顶点着色器阶段中另外一个常见操作，它可以根据顶点的位置、法线等信息计算顶点颜色，用于后续的片段着色器阶段。

void main() {
  // 计算顶点颜色
  vec4 vColor = aColor;
  // 输出顶点颜色
  gl_FragColor = vColor;
}

片段着色器阶段

片段着色器阶段是WebGL图形管道中的第二个阶段，它负责对输入的片段数据进行操作，包括颜色计算、深度测试等。

片段数据输入

在片段着色器阶段，我们需要定义输入的片段数据类型和相关属性，包括像素坐标、颜色、深度等。

precision mediump float;

varying vec4 vPosition; // 顶点位置
varying vec4 vColor; // 顶点颜色

void main() {
  // 计算颜色值
  vec4 color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  // 输出颜色值
  gl_FragColor = color;
}

颜色计算

在片段着色器阶段，我们可以使用多种方式进行颜色计算，例如纹理贴图、光照计算等。下面是一个简单的曲面颜色计算函数。

void main() {
  // 计算顶点坐标
  vec3 position = vec3(vPosition);
  // 计算曲面法线
  vec3 normal = normalize(cross(dFdx(position), dFdy(position)));
  // 计算光线向量
  vec3 light = vec3(1.0, 1.0, 1.0);
  vec3 L = normalize(light - position);
  // 计算漫反射颜色
  vec4 diffuse = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  if (dot(normal, L) > 0.0) {
    diffuse = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
  }
  // 计算最终颜色
  vec4 color = vColor * diffuse;
  // 输出颜色值
  gl_FragColor = color;
}

总结

WebGL 图形管道是WebGL技术中的核心概念，它通过顶点着色器和片段着色器阶段，将输入的顶点数据和片段数据进行变换和颜色计算，最终得到需要在屏幕上绘制的颜色值。熟悉WebGL图形管道是WebGL编程的基础，能够帮助程序员更好地理解WebGL的渲染流程，提高WebGL应用的性能和效率。