图解WebGL&Three.js工作原理

分类:计算机 | 三维开发 | 基础理论 | 综合 359
更新:2021-02-04 21:49:37
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1 我们讲什么?

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?

2 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。

3 先了解一个基础概念

3.1 什么是矩阵?

简单来说,矩阵用于坐标变换,如下图:

3.2 那它具体是怎么变换的呢,如下图:

3.3 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。

4 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: 它只能绘制点、线、三角形?一定是我看错了。

没有,你没有看错。

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

简单来说,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?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把这个权利交给了我们,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? 如上图,顶点着色器会先将坐标转换完毕,然后由GPU进行图元装配,有多少顶点,这段顶点着色器程序就运行了多少次。
你可能留意到,这时候顶点着色器变为:

attribute vec4 position;
uniform mat4 matrix;
void main() {
  gl_Position = position * matrix; 
}

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。

在图元生成完毕之后,我们需要给模型“上色”,而完成这部分工作的,则是运行在GPU的“片元着色器”来完成。
它同样是一段opengl es程序,模型看起来是什么质地(颜色、漫反射贴图等)、灯光等由片元着色器来计算。
如下是一段简单的片元着色器代码:

precision mediump float; 
void main(void) {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
}

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? 如上图,顶点着色器是有多少顶点,运行了多少次,而片元着色器则是,生成多少片元(像素),运行多少次。

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

通过片元着色器,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。

5 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?他在这个流程中,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。

  1. 辅助我们导出了模型数据;
  2. 自动生成了各种矩阵;
  3. 生成了顶点着色器;
  4. 辅助我们生成材质,配置灯光;
  5. 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:

5.3 three.js完整运行流程

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的着色器。