（三）通过WebGL绘制一个简单的三角形来理解渲染管线

理解 WebGL 绘图原理的关键是了解它的渲染管线。WebGL 渲染管线实际上是由多个阶段组成的，每个阶段都有特定的任务，最终输出的是屏幕上的图像。为了让你能轻松理解这些原理，我将通过一个简单的例子来详细解释。

绘制一个简单的三角形

我们将以绘制一个简单的 2D 三角形为例，通过 WebGL 的渲染管线一步步讲解其中的每个阶段。

1. 准备顶点数据

首先，我们需要一些顶点数据，WebGL 使用这些数据来定义要绘制的图形（比如三角形、矩形等）。在 WebGL 中，顶点是通过数组来表示的。

假设我们的三角形顶点数据如下：

const vertices = [-0.5, -0.5,  // 左下角0.5, -0.5,  // 右下角0.0,  0.5   // 顶部
];

这些顶点会定义一个简单的 2D 三角形。

2. 初始化 WebGL 环境

接下来，我们需要初始化 WebGL 环境，并创建一个 顶点缓冲区，用于存储顶点数据。WebGL 的渲染流程是由 GPU 执行的，我们将这些数据上传到 GPU 内存中。

const canvas = document.getElementById('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');const vertexBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);

通过 gl.createBuffer() 和 gl.bufferData()，我们将顶点数据传输到 GPU。

3. 编写着色器（Shader）

WebGL 使用 着色器（Shader） 来处理顶点和像素（片段）的数据。着色器程序运行在 GPU 上，它们分为两类：

• 顶点着色器（Vertex Shader）：处理顶点数据。
• 片段着色器（Fragment Shader）：处理像素数据。

顶点着色器

顶点着色器的作用是对传入的顶点数据进行变换，输出位置坐标和其他信息。对于我们的三角形，顶点着色器的作用只是简单地传递顶点坐标。

const vertexShaderSource = `attribute vec2 a_position;  // 顶点位置void main(void) {gl_Position = vec4(a_position, 0.0, 1.0);  // 输出坐标}
`;

在顶点着色器中，我们定义了一个 a_position 属性，它会接收每个顶点的坐标，然后使用 gl_Position 输出最终的位置。

片段着色器

片段着色器的作用是为每个像素计算颜色。我们将颜色设置为白色（也可以为其他颜色）。

const fragmentShaderSource = `void main(void) {gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);  // 白色}
`;

4. 编译和链接着色器

一旦我们编写了顶点着色器和片段着色器，我们需要将它们编译并链接到一起，生成一个可供 WebGL 使用的 着色器程序。

// 编译顶点着色器
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSource);
gl.compileShader(vertexShader);// 编译片段着色器
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSource);
gl.compileShader(fragmentShader);// 创建并链接着色器程序
const shaderProgram = gl.createProgram();
gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
gl.linkProgram(shaderProgram);// 使用该程序
gl.useProgram(shaderProgram);

5. 设置顶点属性

接下来，我们需要将顶点数据传递给着色器。通过 attribute 变量，顶点着色器能够接收到这些数据。我们要告诉 WebGL 如何从缓冲区中提取数据并将其传递到着色器。

const positionAttributeLocation = gl.getAttribLocation(shaderProgram, 'a_position');
gl.vertexAttribPointer(positionAttributeLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(positionAttributeLocation);

这段代码告诉 WebGL 从 vertexBuffer 中提取数据并传递给 a_position，它表示顶点的坐标。

6. 绘制三角形

最后一步是绘制三角形。我们调用 gl.drawArrays() 来绘制图形，它的作用是将顶点数据按照定义的方式绘制到屏幕上。

gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);  // 清空画布
gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);  // 绘制三角形，0表示从第一个顶点开始，3表示使用3个顶点

7. WebGL 渲染过程总结

以上步骤就是一个 WebGL 渲染过程的完整流程。为了帮助你更好地理解，下面是 WebGL 渲染管线的主要步骤：

1. 准备顶点数据：我们创建一个顶点缓冲区，存储图形的顶点信息。
2. 编写着色器：通过顶点着色器和片段着色器，定义如何处理顶点和像素。
3. 编译和链接着色器：将编写的着色器代码编译并链接成一个可用的程序。
4. 传递顶点数据：将顶点数据传递到着色器中，并告诉 WebGL 如何使用这些数据。
5. 绘制图形：通过调用 gl.drawArrays() 绘制图形，最终在画布上显示出三角形。

8. 渲染管线的关键原理

• 顶点着色器：负责处理和变换顶点数据（如坐标、颜色、法线等）。它的输出通常是变换后的顶点位置，传递给管线的下一个阶段。
• 光栅化：将顶点数据转化为片段（像素）。这时图形的形状被“切割”成许多小块。
• 片段着色器：计算每个像素的最终颜色，例如进行光照计算、纹理映射等。
• 帧缓冲：片段的输出会被存储到帧缓冲中，最终在屏幕上显示出来。

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希望通过这个简单的例子，你能对 WebGL 的渲染管线有一个清晰的认识。