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WebGL学习笔记(四):绘图

2019-07-26 12:11 阿诚de窝 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

图元

WebGL可以绘制非常复杂的3D模型,这些模型都是由下面3种基本几何图元构成的,下面我们来详细的看看。

三角形

WebGL中任何复杂的模型,都是由三角形组合而成的,可以说三角形是任意形状的最小构成单位。

WebGL可以绘制下面几种三角形:

独立的三角形(gl.TRIANGLES)

指定3*n个任意点,可以任意绘制的三角形,优点是没有限制,缺点是数据量大;

三角形带(gl.TRIANGLE_STRIP)

经过指定的规则,绘制连在一起的三角形,比如4个点就可以绘制2个三角形了,优点是数据量小,缺点是顶点顺序要按照指定的顺序来;

三角扇(gl.TRIANGLE_FAN)

类型三角形带,是另外一套绘制规则;

直线

虽然,3D中的大部分图形都是由三角形组成的,但是当我们需要绘制如线框之类的纯线段时,就需要使用到直线这种图元了。

同样,直线的绘制也有几种方式:

独立线(gl.LINES)

指定2*n个任意点,可以任意的绘制线段;

线带(gl.LINE_STRIP)

传入的点,是连续的,比如传入3个点就会绘制2条线段;

线环(gl.LINE_LOOP)

类似线带,最后一个点和第一个点会绘制直线;

点(gl.POINTS)

需要提前设定点的大小,在WebGL中,点经常用来实现粒子效果,比如模拟火焰烟雾等。

三角形顶点顺序和背面剔除

我们需要确定一个三角形三个点的顺序,顺序有两种顺时针(gl.CW)和逆时针(gl.CCW);

当我们确定这个顺序之后,就可以知道一个三角形面,是正对着我们还是背对着我们了,比如当我们确定顺时针的顶点的三角形是正面时,当有三角形在绘制时其顶点时逆时针的时候,这些三角形就是背向我们的了,背向我们的三角形,一般来说都是看不见的,为了提高运行效率可以不进行绘制,这就是背面剔除技术。

1 // 设定逆时针顶点顺序为正面
2 gl.frontFace(gl.CCW);
3 // 开启背面剔除
4 gl.enable(gl.CULL_FACE);
5 // 剔除背面
6 gl.cullFace(gl.BACK);

绘图方法

gl.clear

该方法会清除整个颜色缓冲,并填充颜色为 gl.clearColor 设定的颜色;

gl.drawArrays

通过前面设定好的顶点来绘制图像(可以指定要绘制那种图元);

gl.drawElements

和 drawArrays 基本一至,不同的地方是,这个方法支持传入索引缓冲,通过索引缓冲,可以用更少的顶点来绘制图像;

类型化数组

由于js中并没有指定位数的数字,所有的数字使用的类型都是64位(整形和浮点型都包括),而在WebGL中,需要操作二进制数据,js天生是不支持二进制数据的操作的(以前有人通过字符串的操作来实现,但是效率极低),所以特别引入了类型化数组来操作二进制数据,解决这个问题:

  • ArrayBuffer:作为内存区域,可以存放多种类型的数据。不同数据有不同的存储方式,这就叫做“视图”。

目前,JavaScript提供以下类型的视图:

  • Int8Array:8位有符号整数,长度1个字节。
  • Uint8Array:8位无符号整数,长度1个字节。
  • Uint8ClampedArray:8位无符号整数,长度1个字节。(和Uint8Array的区别在于处理不在[0-255]范围内的数字不一样,详情查看:https://blog.csdn.net/cuixiping/article/details/42270561
  • Int16Array:16位有符号整数,长度2个字节。
  • Uint16Array:16位无符号整数,长度2个字节。
  • Int32Array:32位有符号整数,长度4个字节。
  • Uint32Array:32位无符号整数,长度4个字节。
  • Float32Array:32位浮点数,长度4个字节。
  • Float64Array:64位浮点数,长度8个字节。

可以将ArrayBuffer看做二进制数据源,他本身是不能直接操作二进制数据的,而多个类型的Array则是可以操作该二进制数据源的视图,具体使用方法如下:

 1 // 创建 4 个字节大小的数组缓冲
 2 var arrayBuffer = new ArrayBuffer(4);
 3 // 创建 Int32 位的操作视图
 4 var int32View = new Int32Array(arrayBuffer);
 5 // 给第一个数组元素赋值, 可以理解为在 0 号字节位置写入一个 int32 类型的数字
 6 int32View[0] = 10000000;
 7 // 创建 Uint8 位的操作视图
 8 var unit8View = new Uint8Array(arrayBuffer);
 9 // 打印后即可看到 Int32 位的 10000000 在 Uint8 的字节中看起来的样子了
10 console.log(unit8View); // Uint8Array(4) [128, 150, 152, 0]

退化三角形

如果一个三角形的面积是0的话,这种三角形就被称为退化三角形,WebGL遇到退化三角形时,会进行跳过不绘制。

通过这个特性,我们在绘制三角带(正常情况绘制出来是必须连着的)时,可以在一个三角带中插入一个或多个退化三角形来绘制多个相互之间不相连的图像。

顶点变换缓存

为了减少传递到显卡的顶点数量,我们会采取使用共享顶点的方式,比如一个矩形由两个三角形组成,我们会传递4个顶点而不是6个,那么我们知道,我们的顶点会经过顶点着色器进行变换,这就意味着在渲染管线中,共享的顶点可能会经过多次的转换,而除了第一次的转换,后面的转换都是多余的,平均缓存缺失率表示一个顶点被转换的次数,下面是来自网络的记录:

ACMR(平均缓存缺失率):每个三角形所处理的平均顶点数量,该数据用来测量渲染性能。在典型的封闭网络中,三角形数量约等于两倍的顶点数量,理想的ACMR值为0.5,理想的取值范围为0.5~1,最坏的情况是3;

欧拉多面体公式:V-E+F=2 V表示顶点,e表示边,f表示面,优化ACMR的方法是对三角形中的顶点进行排序;

交叉存放顶点数据

顶点缓冲,除了存放顶点的坐标数据外,还可以同时存放颜色、法线、纹理坐标等数据;

使用常量顶点数组

我们之前提交的顶点缓冲,在顶点着色器中,会按照我们指定的顺序处理每一个顶点,代码如下:

1 // 将提交的顶点数据绑定到着色器的 aVertexPosition 属性, 并设置每份数据的尺寸和数据类型
2 gl.vertexAttribPointer(shaderProgram.vertexPositionAttribute, vertexBuffer.itemSize, gl.FLOAT, false, 0, 0);
3 // 开启属性 aVertexPosition 作为数组的使用, 开启之后,顶点着色器会按照每个顶点的尺寸来遍历处理这些数据,即顶点着色器每次处理该属性的值都会改变
4 gl.enableVertexAttribArray(shaderProgram.vertexPositionAttribute);

那么如果我希望是传递一个数据,该数据对于每一个顶点来说,都是不变的时候,可以用下面的方法来实现:

1 // 将一个 vec4 的数据直接绑定到 vertexColorAttribute 属性
2 gl.vertexAttrib4f(shaderProgram.vertexColorAttribute, 0, 0, 0, 1);
3 // 关闭该属性作为数组的使用,关闭之后,顶点着色器每次处理 vertexColorAttribute 属性的值都不会改变
4 gl.disableVertexAttribArray(shaderProgram.vertexColorAttribute);

通过调用enableVertexAttribArray和disableVertexAttribArray就可以确定指定的属性是否是常量数据;

示例

点击查看示例1:交叉存放顶点数据;

https://hammerc.github.io/dou3d-ts/examples/learningNotes/lesson_2/index_1.html

点击查看示例2:多种类型图元绘制;

https://hammerc.github.io/dou3d-ts/examples/learningNotes/lesson_2/index_2.html