WebGL编程指南

第1 章 WebGL 概述...................... 1

WebGL 的优势 .............................................

第1 章 WebGL 概述...................... 1

WebGL 的优势 ...........................................3

使用文本编辑器开发三维应用 ...............3

轻松发布三维图形程序 .................................4

充分利用浏览器的功能 ...........................5

学习和使用WebGL 很简单 ...................5

WebGL 的起源 .................................................5

WebGL 程序的结构 ...................................6

总结 .....................................7

第2 章 WebGL 入门.................... 9

Canvas 是什么？ ........................................10

使用<canvas> 标签 ................................11

DrawRectangle.js .............................................13

最短的WebGL 程序：清空绘图区 ....................16

HTML 文件（HelloCanvas.html）.............................16

JavaScript 程序（HelloCanvas.js） ............................17

用示例程序做实验 ..............................................22

绘制一个点（版本1） ............................................22

HelloPoint1.html ..............................................24

HelloPoint1.js ....................................................24

着色器是什么？ ...........................................25

使用着色器的WebGL 程序的结构 .................................27

初始化着色器 ...........................................29

顶点着色器 ......................................................31

片元着色器 ...........................................33

绘制操作 .............................................34

WebGL 坐标系统 ....................................35

用示例程序做实验 ................................37

绘制一个点（版本2） ..............................38

使用attribute 变量..................................38

示例程序（HelloPoint2.js） .........................................39

获取attribute 变量的存储位置.......................41

向attribute 变量赋值.............................................42

gl.vertexAttrib3f() 的同族函数 .........................44

用示例程序做实验 ...............................45

通过鼠标点击绘点 ...........................................46

示例程序（ClickedPoints.js） ...........................47

注册事件响应函数 ..................................48

响应鼠标点击事件 ............................50

用示例程序做实验 ..............................53

改变点的颜色 ............................................55

示例程序（ColoredPoints.js） ..............................56

uniform 变量 ........................................58

获取uniform 变量的存储地址 .....................59

向uniform 变量赋值 .................................60

gl.uniform4f() 的同族函数 .......................61

总结 ............................62

第3 章 绘制和变换三角形................ 63

绘制多个点 ...............................................64

示例程序（MultiPoint.js） ........................................66

使用缓冲区对象 ....................................69

创建缓冲区对象（gl.createBuffer()） ...................70

绑定缓冲区（gl.bindBuffer()） .....................................71

向缓冲区对象中写入数据（gl.bufferData()）..............72

类型化数组 ........................................74

将缓冲区对象分配给attribute 变量（gl.vertexAttribPointer()） ...............75

开启attribute 变量（gl.enableVertexAttribArray()） ................77

gl.drawArrays() 的第2 个和第3 个参数 .................78

用示例程序做实验 ........................................79

Hello Triangle ..................................80

示例程序（HelloTriangle.js） .........................80

基本图形 .................................................82

用示例程序做实验 ...........................83

Hello Rectangle（HelloQuad） ...........................84

用示例程序做实验 ...................................85

移动、旋转和缩放 ........................................86

平移 ................................................87

示例程序（TranslatedTriangle.js） ...........................88

旋转 ...........................................................91

示例程序（RotatedTriangle.js） ..................................93

变换矩阵：旋转 ........................................97

变换矩阵：平移 ...................................100

4×4 的旋转矩阵 ..................................101

示例程序（RotatedTriangle_Matrix.js） ...................102

平移：相同的策略 ................................105

变换矩阵：缩放 ...............................106

总结 ...........................................................108

第4 章 高级变换与动画基础.............................. 109

平移，然后旋转 ...........................................109

矩阵变换库：cuon-matrix.js ....................110

示例程序（RotatedTriangle_Matrix4.js） ............... 111

复合变换 .............................................113

示例程序（RotatedTranslatedTriangle.js）.....................115

用示例程序做实验 ..................................117

动画 .....................................118

动画基础 .........................................119

示例程序（RotatingTriangle.js） .......................119

反复调用绘制函数（tick()） ............................123

按照指定的旋转角度绘制三角形（draw()） .............123

请求再次被调用（requestAnimationFrame()） ............125

更新旋转角（animate()）................................126

用示例程序做实验 ............................128

总结 .....................................................130

第5 章 颜色与纹理.............. 131

将非坐标数据传入顶点着色器 ................131

示例程序（MultiAttributeSize.js） .....................133

创建多个缓冲区对象 .........................134

gl.vertexAttribPointer() 的步进和偏移参数 ...............135

示例程序（MultiAttributeSize_Interleaved.js） ...................136

修改颜色（varying 变量） .......................140

示例程序（MultiAttributeColor.js） .........................141

用示例程序做实验 .........................144

彩色三角形（ColoredTriangle.js） ............................145

几何形状的装配和光栅化 ................145

调用片元着色器 ............................149

用示例程序做实验 ..................................149

varying 变量的作用和内插过程 ..............151

在矩形表面贴上图像 ...........................................153

纹理坐标 ...................................................156

将纹理图像粘贴到几何图形上 .....................156

示例程序（TexturedQuad.js） ...............................157

设置纹理坐标（initVertexBuffers()）......................160

配置和加载纹理（initTextures()） ..................160

为WebGL 配置纹理（loadTexture()） .............164

图像Y 轴反转 .................................164

激活纹理单元（gl.activeTexture()） ..................165

绑定纹理对象（gl.bindTexture()） ..................166

配置纹理对象的参数（gl.texParameteri()） .........168

将纹理图像分配给纹理对象（gl.texImage2D()） .....171

将纹理单元传递给片元着色器（gl.uniform1i()） .........173

从顶点着色器向片元着色器传输纹理坐标 .......................174

在片元着色器中获取纹理像素颜色（texture2D()） ..................174

用示例程序做试验 ............................175

使用多幅纹理 ...............................................177

示例程序（MultiTexture.js） ............................178

总结 .......................................................183

第6 章 OpenGL ES 着色器语言（GLSL ES）.............. 185

回顾：基本着色器代码 ...............................186

GLSL ES 概述 .............................................186

你好，着色器！ ...................................................187

基础 ......................187

执行次序 .........................................187

注释 ..................................................187

数据值类型（数值和布尔值） ......................188

变量 .........................................................188

GLSL ES 是强类型语言 ........................189

基本类型 ....................................................189

赋值和类型转换 .........................190

运算符 ............................................191

矢量和矩阵 .........................................192

赋值和构造 ...............................193

访问元素 .........................................195

运算符 ............................................197

结构体 .....................................................200

赋值和构造 ...................................200

访问成员 ...............................................200

运算符 ...........................................201

数组 ..........................................................201

取样器（纹理） ........................................202

运算符优先级 ..........................................203

程序流程控制：分支和循环 .......................203

if 语句和if-else 语句 ............................203

for 语句 .......................................204

continue、break 和discard 语句 ................205

函数 ..........................................205

规范声明 ........................................207

参数限定词 ........................................207

内置函数 .................................................208

全局变量和局部变量 ..............................209

存储限定字 ...........................................209

const 变量 .....................................209

Attribute 变量 ..............................210

uniform 变量 ..................................211

varying 变量 ..................................211

精度限定字 ..............................................211

预处理指令 .............................................213

总结 ......................................................215

第7 章 进入三维世界................ 217

立方体由三角形构成 .............................217

视点和视线 ...........................................218

视点、观察目标点和上方向 ........... 219

示例程序（LookAtTriangles.js） ...........................221

LookAtTriangles.js 与RotatedTriangle_Matrix4.js ..........224

从指定视点观察旋转后的三角形 .....................225

示例程序（LookAtRotatedTriangles.js） ...................227

用示例程序做实验 .................................228

利用键盘改变视点 .............................230

示例程序（LookAtTrianglesWithKeys.js） .................230

独缺一角 ......................................232

可视范围（正射类型） .............................233

可视空间 ..................................................234

定义盒状可视空间 ................................235

示例程序（OrthoView.html） ........................236

示例程序（OrthoView.js） ...............................237

JavaScript 修改HTML 元素 ..........................239

顶点着色器的执行流程 ............................239

修改near 和far 值 .............................241

补上缺掉的角（LookAtTrianglesWithKeys_ViewVolume.js） ..........243

用示例程序做实验 ................................245

可视空间（透视投影） ....................................246

定义透视投影可视空间 .......................247

示例程序（perspectiveview.js） .........................249

投影矩阵的作用 ...................................251

共冶一炉（模型矩阵、视图矩阵和投影矩阵） .............252

示例程序（PerspectiveView_mvp.js） ........................254

用示例程序做实验 ................................257

正确处理对象的前后关系 ............................258

隐藏面消除 .....................................260

示例程序（DepthBuffer.js）..............................262

深度冲突 ................................................263

立方体 ...........................................................266

通过顶点索引绘制物体 ....................268

示例程序（HelloCube.js） ...........................268

向缓冲区中写入顶点的坐标、颜色与索引 ....................271

为立方体的每个表面指定颜色 .............274

示例程序（ColoredCube.js） ............................275

用示例程序做实验 ............................277

总结 ..............................................279

第8 章 光照......... 281

光照原理 ....................................................281

光源类型 .......................................283

反射类型 ............................................284

平行光下的漫反射 ............................286

根据光线和表面的方向计算入射角 .................287

法线：表面的朝向 .............................288

示例程序（LightedCube.js） ..........................291

环境光下的漫反射 ...................................296

示例程序（LightedCube_ambient.js） .........................298

运动物体的光照效果 .....................................299

魔法矩阵：逆转置矩阵 .....................301

示例程序（LightedTranslatedRotatedCube.js） .....................302

点光源光 ............................................304

示例程序（PointLightedCube.js） ...............305

更逼真：逐片元光照 ......................................308

示例程序（PointLightedCube_perFragment.js） ........309

总结 ............................310

第9 章 层次模型.......... 311

多个简单模型组成的复杂模型 .....................311

层次结构模型 ..................................313

单关节模型 ......................................314

示例程序（JointMode.js） ................................315

绘制层次模型（draw()） .....................319

多节点模型 ..........................................321

示例程序（MultiJointModel.js） .........................323

绘制部件（drawBox()）............................326

绘制部件（drawSegments()） .......................327

着色器和着色器程序对象：initShaders() 函数的作用 .................332

创建着色器对象（gl.createShader()） ..................333

指定着色器对象的代码（gl.shaderSource()） ................334

编译着色器（gl.compileShader()） ...............334

创建程序对象（gl.createProgram()） ..............................336

为程序对象分配着色器对象（gl.attachShader()） .............337

连接程序对象（gl.linkProgram()） ..........................337

告知WebGL 系统所使用的程序对象（gl.useProgram()） ................339

initShaders() 函数的内部流程 .....................................339

总结 ...........................................................342

第10 章 高级技术......................... 343

用鼠标控制物体旋转 .......................................343

如何实现物体旋转 ......................................344

示例程序（RotateObject.js） .......................344

选中物体 ........................................347

如何实现选中物体 .........................................347

示例程序（PickObject.js） .................................348

选中一个表面 ......................................351

示例程序（PickFace.js）...................................352

HUD（平视显示器） .................................355

如何实现HUD ...................................355

示例程序（HUD.html） ..............................356

示例程序（HUD.js）...................................357

在网页上方显示三维物体 ....................359

雾化（大气效果） ...................................359

如何实现雾化 ....................................360

示例程序（Fog.js） .....................................361

使用w 分量（Fog_w.js） ...............................363

绘制圆形的点 .................................................364

如何实现圆形的点 ......................................364

示例程序（RoundedPoint.js） ...............................366

α 混合 .............................................367

如何实现α 混合 .....................................367

示例程序（LookAtBlendedTriangles.js） .................369

混合函数 .....................................................369

半透明的三维物体（BlendedCube.js）................371

透明与不透明物体共存 .........................372

切换着色器 ............................373

如何实现切换着色器 .....................................374

示例程序（ProgramObject.js） ............................375

渲染到纹理 .......................................................379

帧缓冲区对象和渲染缓冲区对象 ....................380

如何实现渲染到纹理 ...............................381

示例程序（FramebufferObject.js） ........................382

创建帧缓冲区对象（gl.createFramebuffer()） ............385

创建纹理对象并设置其尺寸和参数 ....................385

创建渲染缓冲区对象（gl.createRenderbuffer()） ...........386

绑定渲染缓冲区并设置其尺寸（gl.bindRenderbuffer()，

gl.renderbufferStorage()） ......................................386

将纹理对象关联到帧缓冲区对象（gl.bindFramebuffer()，

gl.framebufferTexture2D()） ................................388

将渲染缓冲区对象关联到帧缓冲区对象（gl.framebufferRenderbuffer()） ...389

检查帧缓冲区的配置（gl.checkFramebufferStatus()） ..........390

在帧缓冲区进行绘图 ........................390

绘制阴影 ..................................................392

如何实现阴影 ................................392

示例程序（Shadow.js） ...........................393

提高精度 ........................................399

示例程序（Shadow_highp.js） .........................400

加载三维模型 .....................................401

OBJ 文件格式 ....................................404

MTL 文件格式 ...............................405

示例程序（OBJViewer.js） ........................406

自定义类型对象 ..................................409

示例程序（OBJViewer.js 解析数据部分） .........411

响应上下文丢失 .....................................418

如何响应上下文丢失 ....................419

示例程序（RotatingTriangle_contextLost.js） ................420

总结 .............................................................422

附录A WebGL 中无须交换缓冲区....................... 423

附录B GLSL ES 1.0 内置函数..................... 427

角度和三角函数 .....................................428

指数函数 ...............................................429

通用函数 ...................................................430

几何函数 ...................................................433

矩阵函数 ....................................................434

矢量函数 .......................................................435

纹理查询函数 ...........................................436

附录C 投影矩阵....................... 437

正射投影矩阵 ........................................................437

透视投影矩阵 ......................................437

附录D WebGL/OpenGL ：左手还是右手坐标系？............................ 439

示例程序(CoordinateSystem.js) .............................440

隐藏面消除和裁剪坐标系统 ......................................443

裁剪坐标系和可视空间 ....................................444

什么是对的？ .................................................446

总结 .....................................448

附录E 逆转置矩阵................... 449

附录F 从文件中加载着色器............ 453

附录G 世界坐标系和本地坐标系........... 457

本地坐标系 ......................................................458

世界坐标系 ...........................459

变换与坐标系 ..........................................461

附录H WebGL 的浏览器设置.................. 463