0
0

WebGL 从入门到精通

一、引言

WebGL（Web Graphics Library）是一种在网页浏览器中实现 3D 图形渲染的 JavaScript API。它基于 OpenGL ES 2.0，为开发者提供了在浏览器中创建高性能、交互式 3D 应用程序的能力。无论是开发 3D 游戏、数据可视化、虚拟展厅还是其他创新的 web 应用，WebGL 都有着广泛的应用前景。在这篇文章中，我们将深入探讨如何从入门到精通学习 WebGL，涵盖基础知识、进阶技巧、实用案例以及相关的资源地址。

二、WebGL 入门

（一）环境搭建

要开始学习 WebGL，首先需要一个合适的开发环境。只需要一个现代的网页浏览器（如 Chrome、Firefox、Safari 等），因为它们都对 WebGL 有很好的支持。对于代码编辑，可以使用任何文本编辑器，如 Visual Studio Code、Sublime Text 等。

（二）HTML 与 JavaScript 基础

WebGL 是基于 JavaScript 在 HTML 页面中运行的，所以需要对 HTML 和 JavaScript 有一定的了解。

  1. HTML HTML（超文本标记语言）用于构建网页的结构。在一个基本的 HTML 页面中，需要创建一个canvas元素，它将作为 WebGL 渲染的目标。例如：
<!DOCTYPE html>
<html>

<body>
    <canvas id="myCanvas"></canvas>
    <script src="main.js"></script>
</body>

</html>
  1. JavaScript JavaScript 是用于与 WebGL 交互的编程语言。我们需要通过 JavaScript 获取canvas元素，并创建 WebGL 上下文。以下是一个简单的示例：
const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');
if (!gl) {
    console.log('WebGL is not supported');
}

（三）WebGL 基本概念

  1. 渲染上下文（Rendering Context） WebGL 渲染上下文是与canvas元素相关联的对象，通过它可以进行所有的图形渲染操作。它提供了诸如创建缓冲区、设置视图端口、绘制图形等功能。
  2. 缓冲区（Buffers） 缓冲区是用于存储顶点数据（如坐标、颜色、纹理坐标等）的内存区域。例如，可以创建一个顶点坐标缓冲区：
const vertexBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
const vertices = new Float32Array([
    -0.5, -0.5, 0.0,
    0.5, -0.5, 0.0,
    0.0, 0.5, 0.0
]);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);
  1. 着色器（Shaders） 着色器是用 GLSL（OpenGL Shading Language）编写的小程序，分为顶点着色器和片元着色器。顶点着色器处理顶点的位置等属性，片元着色器处理像素的颜色等信息。 顶点着色器示例：
attribute vec3 aVertexPosition;
void main() {
    gl_Position = vec4(aVertexPosition, 1.0);
}

片元着色器示例：

void main() {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}

三、WebGL 进阶

（一）纹理映射（Texture Mapping）

纹理映射是将图像（纹理）应用到 3D 模型表面的技术。这可以使模型看起来更加真实。

  1. 加载纹理 首先需要加载图像数据作为纹理。可以使用Image对象或者XMLHttpRequest来加载图像，然后创建纹理对象并绑定数据。例如：
const texture = gl.createTexture();
const image = new Image();
image.onload = function () {
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
    gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, image);
    gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
    gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
};
image.src = 'texture.jpg';
  1. 在着色器中使用纹理 在顶点着色器和片元着色器中需要相应的变量来处理纹理坐标和纹理数据。例如，在顶点着色器中传递纹理坐标：
attribute vec2 aTextureCoord;
varying vec2 vTextureCoord;
void main() {
    // 其他代码
    vTextureCoord = aTextureCoord;
}

在片元着色器中采样纹理：

precision mediump float;
varying vec2 vTextureCoord;
uniform sampler2D uSampler;
void main() {
    gl_FragColor = texture2D(uSampler, vTextureCoord);
}

（二）光照模型（Lighting Models）

光照是创建逼真 3D 场景的关键因素之一。常见的光照模型包括环境光、点光源、平行光等。

  1. 环境光（Ambient Light） 环境光为整个场景提供一个均匀的光照强度。在着色器中，可以通过一个统一变量来表示环境光的强度和颜色，例如：
uniform vec3 uAmbientLight;
void main() {
    // 计算环境光对颜色的影响
    vec3 ambientColor = uAmbientLight * materialColor;
    // 其他计算
}
  1. 点光源（Point Light） 点光源从一个特定的点向各个方向发射光线。需要考虑光源的位置、强度以及到物体表面的距离衰减等因素。计算点光源光照的公式较为复杂，涉及到距离计算、衰减因子等。
  2. 平行光（Directional Light） 平行光可以看作是从无限远处照射过来的光线，光线方向是平行的。在着色器中，需要指定平行光的方向和强度等参数。

（三）3D 模型加载与渲染

  1. 模型格式 常见的 3D 模型格式如 OBJ、FBX 等。对于简单的学习，可以从加载 OBJ 模型开始。OBJ 模型文件包含顶点坐标、纹理坐标、法线向量等信息。
  2. 加载 OBJ 模型 可以编写 JavaScript 代码来解析 OBJ 文件。基本思路是读取文件内容，提取顶点、纹理坐标、法线等数据，并将其存储到相应的缓冲区中，然后在 WebGL 中进行渲染。
  3. 渲染复杂模型 当加载复杂模型时，需要考虑模型的层次结构、动画等因素。对于动画模型，需要根据时间更新模型的顶点位置等属性。

四、WebGL 高级技巧

（一）性能优化

  1. 减少绘制调用（Draw Calls） 尽量将多个图形的绘制合并为一次绘制调用。可以通过使用索引缓冲区来实现，将多个三角形的顶点索引存储在一个缓冲区中，然后一次性绘制。
  2. 优化着色器代码 避免在着色器中进行复杂的计算，尽量使用内建函数和预计算的值。同时，减少不必要的变量和条件判断。
  3. 合理使用纹理 避免使用过大的纹理，对纹理进行压缩和优化。同时，合理设置纹理的过滤模式和环绕模式。

（二）交互与动画

  1. 用户交互 可以通过 JavaScript 监听鼠标、键盘等事件，实现用户与 3D 场景的交互。例如，通过鼠标拖动来旋转 3D 模型：
let isDragging = false;
let lastX, lastY;
canvas.addEventListener('mousedown', (e) => {
    isDragging = true;
    lastX = e.clientX;
    lastY = e.clientY;
});
canvas.addEventListener('mouseup', () => {
    isDragging = false;
});
canvas.addEventListener('mousemove', (e) => {
    if (isDragging) {
        const dx = e.clientX - lastX;
        const dy = e.clientY - lastY;
        // 根据鼠标移动量旋转模型
        // 这里需要更新模型的旋转矩阵等相关操作
        lastX = e.clientX;
        lastY = e.clientY;
    }
});
  1. 动画实现 通过使用requestAnimationFrame函数来实现动画。requestAnimationFrame会在浏览器下一次重绘之前调用指定的函数，这样可以实现流畅的动画效果。例如，实现一个旋转的 3D 物体：
function animate() {
    requestAnimationFrame(animate);
    // 更新物体的旋转角度
    angle += 0.01;
    // 重新绘制场景
    drawScene();
}
animate();

（三）后处理效果（Post - Processing Effects）

后处理效果可以增强 3D 场景的视觉效果，如模糊、辉光、景深等。

  1. 模糊效果（Blur Effect） 可以通过创建一个屏幕大小的纹理，将当前场景渲染到这个纹理上，然后使用一个模糊着色器对纹理进行处理，最后将处理后的纹理绘制到屏幕上。模糊着色器通常会对纹理像素周围的像素进行加权平均计算。
  2. 辉光效果（Glow Effect） 辉光效果可以通过提取场景中的明亮部分，然后对这些部分进行模糊和增强处理来实现。通常需要在渲染场景时将明亮部分的信息存储在一个特殊的缓冲区中，然后进行后续处理。

五、WebGL 学习资源

（一）官网地址

WebGL 的官方网站是WebGL Overview - The Khronos Group Inc。在这个网站上，可以找到 WebGL 的规范、技术文档、最新消息以及相关的资源链接。它是了解 WebGL 标准和发展的重要入口。

（二）API 地址

WebGL 的 API 文档可以在 MDN（Mozilla Developer Network）上找到，WebGL: 2D and 3D graphics for the web - Web APIs | MDN。MDN 提供了非常详细的 API 参考，包括各种函数、对象、常量的说明和示例代码。这对于在开发过程中查询特定的 WebGL 功能非常有用。

（三）学习书籍

  1. 《WebGL 编程指南》 这本书是学习 WebGL 的经典之作。它从基础知识开始，逐步深入到高级主题，涵盖了从创建简单的 3D 图形到复杂的光照和动画效果等内容。书中有大量的代码示例和详细的解释，适合初学者和有一定经验的开发者。可以在各大在线书店购买。
  2. 《WebGL Insights》 这本书是一本更深入的 WebGL 技术书籍，收集了众多专家在 WebGL 开发中的实践经验和技巧。它包括了性能优化、高级渲染技术、跨平台开发等内容，对于想要深入研究 WebGL 并提升开发水平的开发者来说是一本非常有价值的参考书籍。

（四）学习网站

  1. WebGL FundamentalsWebGL Fundamentals是一个非常好的 WebGL 学习网站。它有一系列的教程，从最基础的 WebGL 概念开始讲解，每个教程都配有可运行的代码示例和详细的解释。教程内容涵盖了纹理、光照、动画等多个方面，而且网站的界面简洁易懂，非常适合初学者。
  2. Three.js 官方网站 虽然 Three.js 是一个基于 WebGL 的 3D 库，但它的官方网站Three.js – JavaScript 3D Library也有很多关于 3D 开发的基础知识和教程，这些内容对于理解 WebGL 的应用场景和相关技术有很大的帮助。同时，学习 Three.js 也可以为进一步深入 WebGL 开发提供一个很好的过渡，因为 Three.js 封装了很多 WebGL 的复杂操作。

六、实践案例

（一）3D 游戏开发

  1. 简单的射击游戏 可以使用 WebGL 开发一个简单的射击游戏。创建 3D 场景，包括游戏角色、敌人、武器等模型。利用用户交互实现玩家对角色的控制，如移动、射击等操作。通过碰撞检测来判断子弹是否击中敌人，以及敌人是否与玩家角色碰撞。在游戏中，可以运用纹理映射来使模型更加逼真，使用光照效果来营造游戏场景的氛围。
  2. 解谜游戏 开发一个 3D 解谜游戏，设置各种谜题和机关。玩家需要在 3D 环境中探索，通过旋转、移动 3D 物体来解开谜题。可以利用 WebGL 的动画功能来实现机关的运动，以及利用后处理效果来增强游戏的神秘氛围。

（二）数据可视化

  1. 3D 柱状图 对于一些需要展示三维数据的情况，可以使用 WebGL 开发 3D 柱状图。将数据的值映射到柱状体的高度，通过不同的颜色来区分不同的数据类别。用户可以通过鼠标交互来旋转和缩放 3D 柱状图，以便更好地观察数据。同时，可以添加光照效果来使柱状图更加立体。
  2. 分子结构可视化 在科学领域，如化学中，可以使用 WebGL 来可视化分子结构。将分子的原子表示为球体，化学键表示为圆柱体或线条。通过加载分子结构数据，渲染出逼真的分子模型。用户可以在网页上查看和分析分子的三维结构，这对于科研人员理解分子的性质和反应机理有很大的帮助。

（三）虚拟展厅

创建一个虚拟展厅应用，用于展示艺术品、文物等。在虚拟展厅中，可以加载高分辨率的 3D 模型和纹理，为用户提供逼真的浏览体验。用户可以通过鼠标和键盘在展厅中自由移动，查看展品的各个角度。可以添加光照和阴影效果来模拟真实的展厅环境，同时利用后处理效果来增强视觉效果，如添加一种复古的色调来营造艺术氛围。

七、总结

WebGL 是一个强大的在网页上实现 3D 图形渲染的技术。从入门到精通需要逐步掌握其基本概念、进阶技巧和高级应用。通过不断学习和实践，利用丰富的学习资源，包括官网、API 文档、书籍和学习网站等，可以深入理解 WebGL 的原理和应用。在实际开发中，无论是游戏开发、数据可视化还是虚拟展厅等领域，WebGL 都有着广阔的应用前景，值得开发者深入探索和学习。同时，随着浏览器技术的不断发展，WebGL 也在不断改进和完善，为开发者带来更多的可能性。

标签： webgl 计算机图形学
本文转载自: https://blog.csdn.net/m0_60315436/article/details/143781013
版权归原作者 一只小灿灿 所有， 如有侵权，请联系我们删除。
登录后发布评论

“WebGL 从入门到精通”的评论:

还没有评论
关于作者
...
overfit同步小助手
文章同步
相关阅读

网络安全法-网络运行安全

使用selenium/drissionpage时如何阻止chrome自动跳转http到https

docker desktop 里部署的Open WebUI 管理员密码忘记了的处理方法

在ubuntu20.04中搭建onsite比赛运行环境

利用开源的低代码表单设计器FcDesigner高效管理和渲染复杂表单结构

Kafka学习笔记

【前端】浏览器输入url到页面呈现发生了什么？

文章导航