WebGL+Three.js入门与实战——给画布换颜色、绘制一个点、三维坐标系-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了WebGL+Three.js入门与实战——给画布换颜色、绘制一个点、三维坐标系。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

个人简介

👀个人主页：前端杂货铺
🙋‍♂️学习方向：主攻前端方向，正逐渐往全干发展
📃个人状态：研发工程师，现效力于中国工业软件事业
🚀人生格言：积跬步至千里，积小流成江海
🥇推荐学习：🍍前端面试宝典 🍉Vue2 🍋Vue3 🍓Vue2/3项目实战 🥝Node.js🍒Three.js🍖数据结构与算法体系教程

🌕个人推广：每篇文章最下方都有加入方式，旨在交流学习&资源分享，快加入进来吧

前言

大家好，这里是前端杂货铺。

前端分为多种方向，其中 图形学方向 变得越来越火热，那么说到图形学在前端的使用，就不得不提起 WebGL。

WebGL（全写Web Graphics Library）是一种3D绘图协议，这种绘图技术标准允许把 JavaScript 和 OpenGL ES 2.0 结合在一起，通过 增加 OpenGL ES 2.0 的一个 JavaScript 绑定，WebGL 可以为 HTML5 Canvas 提供硬件 3D加速渲染，这样 Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。

接下来，我们来系统的学习 WebGL 及其框架 Three.js，进而完成 前端图形学方向 的入门！

一、canvas 和 webgl

Canvas API 提供二维绘图的方式，用于显示二维和三维的图像。
图像的绘制主要通过 CanvasRenderingContext2D 接口完成。

WebGL API 提供三维绘图的方式。
图像的绘制主要通过 WebGLRenderingContext 接口完成。

1、给画布换颜色-Canvas实现

Canvas 实现：首先获取 canvas 画布，之后填充颜色为红色，最后使用 fillRect() 方法绘制"已填充"的矩形。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
</head>
<body>
    <canvas id="canvas" width="400" height="400">
        此浏览器不支持canvas
    </canvas>

    <script>
        const ctx = document.getElementById('canvas');
        const c = ctx.getContext('2d');
        c.fillStyle = 'red';
        // 矩形左上角的x坐标，矩形左上角的y坐标，矩形的宽度(px)，矩形的高度(px)
        c.fillRect(0, 0, 400, 400);
    </script>
</body>
</html>

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2、给画布换颜色-WebGL实现

WebGL 实现：首先依旧是获取 canvas 画布，之后指定清空 canvas 的颜色，并接受四个参数（red、green、blue、alpha），最后清空颜色缓存（即在绘制新的图像前，先把旧的图像清除，保证每次绘制的图像都是干净的）

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
</head>
<body>
    <canvas id="canvas" width="400" height="400">
        此浏览器不支持canvas
    </canvas>
    <script>
        const ctx = document.getElementById('canvas');
        const gl = ctx.getContext('webgl');
        // 指定清空<canvas>的颜色，接受四个参数（rgba）
        gl.clearColor(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
        // 清空颜色缓存
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
    </script>
</body>
</html>

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二、使用 WebGL 绘制一个点

着色器：着色器就是让开发者自己去编写一段程序，用来代替固定渲染管线，来处理图像的渲染。

顶点着色器：用来描述顶点的特性，通过计算来获取位置信息。 顶点是指二维三维空间中的一个点，可以理解为一个个坐标。

片元着色器： 进行逐片源处理程序，通过计算来获取颜色信息。片源可以理解为一个个像素。

绘制一个点：创建顶点着色器源码和片元着色器源码，通过 initShader() 把 gl 上下文 和 顶点着色器、片元着色器 连接起来。initShader() 是封装的一个方法，用于初始化片元着色器源程序。

具体流程及源码如下：

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<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
    <script src="./index.js"></script>
</head>
<body>
    <canvas id="canvas" width="400" height="400" style="background: gray;">
        此浏览器不支持canvas
    </canvas>
    <script>
        const ctx = document.getElementById('canvas');
        const gl = ctx.getContext('webgl');
        
        // 着色器
        // 创建着色器源码

        // 顶点着色器
        const VERTEX_SHADER_SOURCE = `
            void main() {
                // 要绘制的点的坐标 x, y, z, w
                gl_Position = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
                // 点的大小(px)
                gl_PointSize = 30.0;
            }
        `;

        // 片元着色器
        const FRAGMENT_SHADER_SOURCE = `
            void main() {
                // r g b a
                gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
            }
        `

        initShader(gl, VERTEX_SHADER_SOURCE, FRAGMENT_SHADER_SOURCE);

        // 执行绘制
        gl.drawArrays(gl.POINTS, 0 , 1);
    </script>
</body>
</html>

初始化片元着色器源程序：

index.js

function initShader(gl, VERTEX_SHADER_SOURCE, FRAGMENT_SHADER_SOURCE) {
    // 创建着色器
    const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
    const fragmentSharder = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);

    gl.shaderSource(vertexShader, VERTEX_SHADER_SOURCE) // 指定顶点着色器的源码
    gl.shaderSource(fragmentSharder, FRAGMENT_SHADER_SOURCE) // 指定片元着色器的源码

    // 编译着色器
    gl.compileShader(vertexShader);
    gl.compileShader(fragmentSharder);

    // 创建一个程序对象，用于关联JavaScript和WebGL
    const program = gl.createProgram();

    gl.attachShader(program, vertexShader);
    gl.attachShader(program, fragmentSharder);

    gl.linkProgram(program);
    gl.useProgram(program);

    return program;
}

图形绘制出来了，请大家思考一个问题，在（0.0, 0.0, 0.0）坐标绘制的点为什么在画布的正中间呢？？

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三、WebGL三维坐标系

三维坐标系概览

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绘图区域（NDC坐标：归一化设备坐标）

在WebGL中，坐标系是以绘制画布的中心点为原点，正常的笛卡尔坐标系。而浏览器和Canvas 2D的坐标系统是以左上角为坐标原点，y轴向下，x轴向右，坐标值相对于原点。

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通过两个伪元素 ::before 和 ::after，在canvas中绘制两条线，充当 x 和 y 坐标。此时，我们修改顶点着色器的 gl_Position = vec4(0.5, 0.5, 0.0, 1.0);，观察此时点的位置可以发现，确实符合 NDC 坐标的位置

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
    <script src="./index.js"></script>
    <style>
        * {
            margin:0;
            padding: 0;
        }
        #canvas {
            background: gray;
        }
        body::after {
            content: ' ';
            display: block;
            width: 1px;
            height: 400px;
            background: red;
            position: absolute;
            top: 0;
            left: 200px;
        }
        body::before {
            content: ' ';
            display: block;
            width: 400px;
            height: 1px;
            background: red;
            position: absolute;
            top: 200px;
            left: 0;
        }
    </style>
</head>
<body>
    <canvas id="canvas" width="400" height="400">
        此浏览器不支持canvas
    </canvas>
    <script>
        const ctx = document.getElementById('canvas');
        const gl = ctx.getContext('webgl');
        
        // 着色器
        // 创建着色器源码

        // 顶点着色器
        const VERTEX_SHADER_SOURCE = `
            void main() {
                // 要绘制的点的坐标 x, y, z, w
                gl_Position = vec4(0.5, 0.5, 0.0, 1.0);
                // 点的大小(px)
                gl_PointSize = 30.0;
            }
        `;

        // 片元着色器
        const FRAGMENT_SHADER_SOURCE = `
            void main() {
                // r g b a
                gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
            }
        `

        initShader(gl, VERTEX_SHADER_SOURCE, FRAGMENT_SHADER_SOURCE);

        // 执行绘制
        gl.drawArrays(gl.POINTS, 0 , 1);
    </script>
</body>
</html>