WebGL简易教程(三)：绘制一个三角形(缓冲区对象)

1. 概述
2. 示例：绘制三角形
3. 结果
4. 参考

1. 概述

在上一篇教程《WebGL简易教程(二)：向着色器传输数据》中，通过向着色器(shader)传输数据，改变了绘制点的大小和颜色。之前的例子只能绘制一个点，如果需要绘制如三角形、矩形或者立方体等稍微复杂的图形，需要怎么做呢？这个时候就需要一种很方便的机制——缓冲区对象（buffer object）。

我们知道，OpenGL/WebGL进行图形工作，需要访问显存的数据。而像C或者JS这样的编程语言去申请数据，总是保存在内存中——也就是说，需要把内存中的数据传输到显存，OpenGL/WebGL才能进行绘制。数据的申请、传输、释放是一种IO操作，对IO操作而言，分段的、多次的读写操作的效率总是比不上一次总体的读写操作。缓冲区对象正是用来解决这两个问题的：我们可以一次性向缓冲区对象填充大量的顶点数据，供顶点着色器使用。

这里就通过绘制一个三角形的实例，来讲解缓冲区对象的使用。一般来说，任何三维模型的基本单位就是三角形，会绘制三角形就能绘制任意复杂的图形。

2. 示例：绘制三角形

同之前的例子一样，绘制三角形的实例包含HTML和JavaScript两个部分。

1) HelloTriangle.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>Hello Triangle</title>
  </head>

  <body onload="main()">
    <canvas id="webgl" width="400" height="400">
    Please use a browser that supports "canvas"
    </canvas>

    <script src="../lib/webgl-utils.js"></script>
    <script src="../lib/webgl-debug.js"></script>
    <script src="../lib/cuon-utils.js"></script>
    <script src="HelloTriangle.js"></script>
  </body>
</html>

这段HTML代码与之前的例子相比几乎没有改动，引入了需要wengl组件和主要的绘制代码HelloTriangle.js。没有特别改动的话，以后的html代码就不再介绍。

2) HelloTriangle.js

// 顶点着色器程序
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' + // attribute variable
  'void main() {\n' +
  '  gl_Position = a_Position;\n' + // Set the vertex coordinates of the point
  '}\n';

// 片元着色器程序
var FSHADER_SOURCE =
  'precision mediump float;\n' +
  'uniform vec4 u_FragColor;\n' +  // uniform変数
  'void main() {\n' +
  '  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);\n' +
  '}\n';

function main() {
  // 获取 <canvas> 元素
  var canvas = document.getElementById('webgl');

  // 获取WebGL渲染上下文
  var gl = getWebGLContext(canvas);
  if (!gl) {
    console.log('Failed to get the rendering context for WebGL');
    return;
  }

  // 初始化着色器
  if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
    console.log('Failed to intialize shaders.');
    return;
  }

  // 设置顶点位置
  var n = initVertexBuffers(gl);
  if (n < 0) {
    console.log('Failed to set the positions of the vertices');
    return;
  } 

  // 指定清空<canvas>的颜色
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

  // 清空<canvas>
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

  // 绘制三角形
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);
}

function initVertexBuffers(gl) {
  var vertices = new Float32Array([
    0, 0.5,   -0.5, -0.5,   0.5, -0.5
  ]);
  var n = 3; // 点的个数

  // 创建缓冲区对象
  var vertexBuffer = gl.createBuffer();
  if (!vertexBuffer) {
    console.log('Failed to create the buffer object');
    return -1;
  }

  // 将缓冲区对象绑定到目标
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
  // 向缓冲区对象写入数据
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

  var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
  if (a_Position < 0) {
    console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
    return -1;
  }
  // 将缓冲区对象分配给a_Position变量
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

  // 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

  return n;
}

与之前的绘制JS代码相比，着色器等大部分内容都没有变化，最主要的变化是不再通过 gl.vertexAttrib3f()函数向着色器传递数据，取而代之的是自定义了一个初始化顶点位置函数initVertexBuffers()。在这个函数中，正是通过缓冲区对象向着色器传递数据的。

3) 缓冲区对象

在函数initVertexBuffers()中，可以看到首先初始化了一个JavaScript数组（Float32Array是WebGL引入的特殊的类型化数组，能够保存大量同一种类型的元素）,它就是缓冲区需要写入的数据：

var vertices = new Float32Array([
    0, 0.5,   -0.5, -0.5,   0.5, -0.5
  ]);

这个数据通过缓冲区对象传入顶点着色器，需要如下五个步骤：

(1) 创建缓冲区对象(gl.createBuffer())

  // 创建缓冲区对象
  var vertexBuffer = gl.createBuffer();
  if (!vertexBuffer) {
    console.log('Failed to create the buffer object');
    return -1;
  }

WebGL通过gl.createBuffer()来创建缓冲区对象，它告诉WebGL系统，开辟显存空间接受内存传输过来的数据。其函数的具体说明如下：
1.创建缓冲区对象

(2) 绑定缓冲区对象(gl.bindBuffer())

  // 将缓冲区对象绑定到目标
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);

由于缓冲区对象可能有多种用途，创建缓冲区之后还需要将其绑定到不同目标上，参数gl.ARRAY_BUFFER表示缓冲区对象存储的是关于顶点的数据。其绑定函数gl.bindBuffer()的具体说明如下：
2.绑定缓冲区对象

(3) 将数据写入缓冲区对象(gl.bufferData())

  // 向缓冲区对象写入数据
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW);

这段代码的意思是将数组vertices中的数据传输到目标gl.ARRAY_BUFFER上的缓冲区对象。其函数的具体说明如下：
3.将数据写入缓冲区对象

(4) 将缓冲区对象分配给attribute变量(gl.vertexAttribPointer())

  var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
  if (a_Position < 0) {
    console.log('Failed to get the storage location of a_Position');
    return -1;
  }
  // 将缓冲区对象分配给a_Position变量
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);

正如《WebGL简易教程(二)：向着色器传输数据》介绍的，通过函数getAttribLocation()获取顶点着色器的attribute变量a_Position的地址。不同的是，这里用过函数gl.vertexAttribPointer()，将整个缓冲区对象，也就是顶点数据，一次性分配给attribute变量a_Position。其函数的具体说明如下：
4.将缓冲区对象分配给attribute变量

(5) 开启attribute变量(gl.enableVertexAttribArray())

  // 连接a_Position变量与分配给它的缓冲区对象
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

最后一步就非常简单了，开启attribute变量，建立缓冲区与attribute变量的连接。其函数说明如下：
5.开启attribute变量

通过以上五个步骤，着色器就可以根据缓冲区对象的数据进行正确的绘制了。其示意图如下：
6.使用缓冲区对象传输顶点

4) 基本图形绘制

与前两篇教程中绘制点不同，这里绘制的是一个三角形：

  // 绘制三角形
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

可以看到这里同样是用的函数gl.drawArrays()进行绘制的，其具体的函数说明如下：
7.drawArrays()
第二个参数和第三个参数非常简单，表示从哪个顶点数据绘制到哪个顶点数据。例如这里绘制三角形表示从第1个点绘制到第3个点。
第一个参数则非常强大，表示可以绘制的7种基本图形：

基本示意图如下：