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WebGL背后的工作原理是什么?Three.js在背后扮演什么样的角色?本文尝试用图解的方式介绍WebGl及Three.js的工作机制,希望对大家有所帮助。
我们讲两个东西:1、WebGL背后的工作原理是什么?2、以Three.js为例,讲述框架在背后扮演什么样的角色? 二、我们为什么要了解原理? 我们假定你对WebGL已经有一定了解,或者用Three.js做过了一些东西,这个时候,你可能碰到了这样一些问题:1、很多东西还是做不出来,甚至没有任何思路;2、碰到bug无法解决,甚至没有方向;3、性能出现问题,完全不知道如何去优化。这个时候,我们需要了解更多。 三、先了解一个基础概念 1、什么是矩阵?简单说来,矩阵用于坐标变换,如下图: 2、那它具体是怎么变换的呢,如下图: 3、举个实例,将坐标平移2,如下图:
如果这时候,你还是没有理解,没有关系,你只需要知道,矩阵用于坐标变换。 四、WebGL的工作原理 4.1、WebGL API 在了解一门新技术前,我们都会先看看它的开发文档或者API。查看Canvas的绘图API,我们会发现它能画直线、矩形、圆、弧线、贝塞尔曲线。于是,我们看了看WebGL绘图API,发现: 它只能会点、线、三角形?一定是我看错了。没有,你没看错。 就算是这样一个复杂的模型,也是一个个三角形画出来的。 4.2、WebGL绘制流程 简单说来,WebGL绘制过程包括以下三步:1、获取顶点坐标2、图元装配(即画出一个个三角形)3、光栅化(生成片元,即一个个像素点) 接下来,我们分步讲解每个步骤。 4.2.1、获取顶点坐标 顶点坐标从何而来呢?一个立方体还好说,如果是一个机器人呢?没错,我们不会一个一个写这些坐标。往往它来自三维软件导出,或者是框架生成,如下图: 写入缓存区是啥?没错,为了简化流程,之前我没有介绍。由于顶点数据往往成千上万,在获取到顶点坐标后,我们通常会将它存储在显存,即缓存区内,方便GPU更快读取。 4.2.2、图元装配 我们已经知道,图元装配就是由顶点生成一个个图元(即三角形)。那这个过程是自动完成的吗?答案是并非完全如此。为了使我们有更高的可控性,即自由控制顶点位置,WebGL把这个权力交给了我们,这就是可编程渲染管线(不用理解)。WebGL需要我们先处理顶点,那怎么处理呢?我们先看下图: 我们引入了一个新的名词,叫“顶点着色器”,它由opengl es编写,由javascript以字符串的形式定义并传递给GPU生成。比如如下就是一段顶点着色器代码: 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? 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。 gl_FragColor即输出的颜色值。 4.2.3.1、片元着色器处理流程 片元着色器具体是如何控制颜色生成的呢? 4.3、WebGL的完整工作流程 至此,实质上,WebGL经历了如下处理流程:1、准备数据阶段在这个阶段,我们需要提供顶点坐标、索引(三角形绘制顺序)、uv(决定贴图坐标)、法线(决定光照效果),以及各种矩阵(比如投影矩阵)。其中顶点数据存储在缓存区(因为数量巨大),以修饰符attribute传递给顶点着色器;矩阵则以修饰符uniform传递给顶点着色器。2、生成顶点着色器根据我们需要,由Javascript定义一段顶点着色器(opengl es)程序的字符串,生成并且编译成一段着色器程序传递给GPU。3、图元装配GPU根据顶点数量,挨个执行顶点着色器程序,生成顶点最终的坐标,完成坐标转换。4、生成片元着色器模型是什么颜色,看起来是什么质地,光照效果,阴影(流程较复杂,需要先渲染到纹理,可以先不关注),都在这个阶段处理。5、光栅化能过片元着色器,我们确定好了每个片元的颜色,以及根据深度缓存区判断哪些片元被挡住了,不需要渲染,最终将片元信息存储到颜色缓存区,最终完成整个渲染。 五、Three.js究竟做了什么? 我们知道,three.js帮我们完成了很多事情,但是它具体做了什么呢,他在整个流程中,扮演了什么角色呢?我们先简单看一下,three.js参与的流程:
黄色和绿色部分,都是three.js参与的部分,其中黄色是javascript部分,绿色是opengl es部分。我们发现,能做的,three.js基本上都帮我们做了。 辅助我们导出了模型数据; 自动生成了各种矩阵; 生成了顶点着色器; 辅助我们生成材质,配置灯光; 根据我们设置的材质生成了片元着色器。而且将webGL基于光栅化的2D API,封装成了我们人类能看懂的 3D API。 5.1、Three.js顶点处理流程 从WebGL工作原理的章节中,我们已经知道了顶点着色器会将三维世界坐标转换成屏幕坐标,但实际上,坐标转换不限于投影矩阵。如下图: 之前WebGL在图元装配之后的结果,由于我们认为模型是固定在坐标原点,并且相机在x轴和y轴坐标都是0,其实正常的结果是这样的:
5.1.1、模型矩阵 现在,我们将模型顺时针旋转Math.PI/6,所有顶点位置肯定都变化了。 box.rotation.y = Math.PI/6;但是,如果我们直接将顶点位置用javascript计算出来,那性能会很低(顶点通常成千上万),而且,这些数据也非常不利于维护。所以,我们用矩阵modelMatrix将这个旋转信息记录下来。
5.1.2、视图矩阵 然后,我们将相机往上偏移30。 camera.position.y = 30;同理,我们用矩阵viewMatrix将移动信息记录下来。
5.1.3、投影矩阵 这是我们之前介绍过的了,我们用projectMatrix记录。
5.1.4、应用矩阵 然后,我们编写顶点着色器: gl_Position = position * modelMatrix * viewMatrix * projectionMatrix;这样,我们就在GPU中,将最终顶点位置计算出来了。实际上,上面所有步骤,three.js都帮我们完成了。 5.2、片元着色器处理流程 我们已经知道片元着色器负责处理材质、灯光等信息,但具体是怎么处理呢?如下图:
当我们选择材质后,three.js会根据我们所选的材质,选择对应的顶点着色器和片元着色器。three.js中已经内置了我们常用着色器。
全文完。 作者:万技师 出处:http://www.cnblogs.com/wanbo/ 转载请在明显位置注明原文链接,否则保留追究法律责任的权利。 |
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