圖解WebGL和Three.js工作原理
2018-12-21 來源：編程學(xué)習(xí)網(wǎng)
一、我們講什么？
我們講兩個東西：
1、WebGL背后的工作原理是什么？
2、以Three.js為例，講述框架在背后扮演什么樣的角色？
二、我們?yōu)槭裁匆私庠恚?/h3>
我們假定你對WebGL已經(jīng)有一定了解，或者用Three.js做過了一些東西，這個時候，你可能碰到了這樣一些問題：
1、很多東西還是做不出來，甚至沒有任何思路；
2、碰到bug無法解決，甚至沒有方向；
3、性能出現(xiàn)問題，完全不知道如何去優(yōu)化。
這個時候，我們需要了解更多。
三、先了解一個基礎(chǔ)概念
1、什么是矩陣？
簡單說來，矩陣用于坐標(biāo)變換，如下圖：
2、那它具體是怎么變換的呢，如下圖：
3、舉個實例，將坐標(biāo)平移2，如下圖：
如果這時候，你還是沒有理解，沒有關(guān)系，你只需要知道，矩陣用于坐標(biāo)變換。
四、WebGL的工作原理
4.1、WebGL API
在了解一門新技術(shù)前，我們都會先看看它的開發(fā)文檔或者API。
查看Canvas的繪圖API，我們會發(fā)現(xiàn)它能畫直線、矩形、圓、弧線、貝塞爾曲線。
于是，我們看了看WebGL繪圖API，發(fā)現(xiàn)：
它只能會點、線、三角形？一定是我看錯了。
沒有，你沒看錯。
就算是這樣一個復(fù)雜的模型，也是一個個三角形畫出來的。
4.2、WebGL繪制流程
簡單說來，WebGL繪制過程包括以下三步：
1、獲取頂點坐標(biāo)
2、圖元裝配（即畫出一個個三角形）
3、光柵化（生成片元，即一個個像素點）
接下來，我們分步講解每個步驟。
4.2.1、獲取頂點坐標(biāo)
頂點坐標(biāo)從何而來呢？一個立方體還好說，如果是一個機器人呢？
沒錯，我們不會一個一個寫這些坐標(biāo)。
往往它來自三維軟件導(dǎo)出，或者是框架生成，如下圖：
寫入緩存區(qū)是啥？
沒錯，為了簡化流程，之前我沒有介紹。
由于頂點數(shù)據(jù)往往成千上萬，在獲取到頂點坐標(biāo)后，我們通常會將它存儲在顯存，即緩存區(qū)內(nèi)，方便GPU更快讀取。
4.2.2、圖元裝配
我們已經(jīng)知道，圖元裝配就是由頂點生成一個個圖元（即三角形）。那這個過程是自動完成的嗎？答案是并非完全如此。
為了使我們有更高的可控性，即自由控制頂點位置，WebGL把這個權(quán)力交給了我們，這就是可編程渲染管線（不用理解）。
WebGL需要我們先處理頂點，那怎么處理呢？我們先看下圖：
我們引入了一個新的名詞，叫“頂點著色器”，它由opengl es編寫，由javascript以字符串的形式定義并傳遞給GPU生成。
比如如下就是一段頂點著色器代碼：
attribute vec4 position;
void main() {
gl_Position = position;
}
attribute修飾符用于聲明由瀏覽器（javascript）傳輸給頂點著色器的變量值；
position即我們定義的頂點坐標(biāo)；
gl_Position是一個內(nèi)建的傳出變量。
這段代碼什么也沒做，如果是繪制2d圖形，沒問題，但如果是繪制3d圖形，即傳入的頂點坐標(biāo)是一個三維坐標(biāo)，我們則需要轉(zhuǎn)換成屏幕坐標(biāo)。
比如：v(-0.5, 0.0, 1.0)轉(zhuǎn)換為p(0.2, -0.4)，這個過程類似我們用相機拍照。
4.2.2.1、頂點著色器處理流程
回到剛才的話題，頂點著色器是如何處理頂點坐標(biāo)的呢？
如上圖，頂點著色器會先將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完畢，然后由GPU進行圖元裝配，有多少頂點，這段頂點著色器程序就運行了多少次。
你可能留意到，這時候頂點著色器變?yōu)椋?/p>
attribute vec4 position;
uniform mat4 matrix;
void main() {
gl_Position = position * matrix;
}
這就是應(yīng)用了矩陣matrix，將三維世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成屏幕坐標(biāo)，這個矩陣叫投影矩陣，由javascript傳入，至于這個matrix怎么生成，我們暫且不討論。
4.2.3、光柵化
和圖元裝配類似，光柵化也是可控的。
在圖元生成完畢之后，我們需要給模型“上色”，而完成這部分工作的，則是運行在GPU的“片元著色器”來完成。
它同樣是一段opengl es程序，模型看起來是什么質(zhì)地（顏色、漫反射貼圖等）、燈光等由片元著色器來計算。
如下是一段簡單的片元著色器代碼：
precision mediump float;
void main(void) {
gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
}
gl_FragColor即輸出的顏色值。
4.2.3.1、片元著色器處理流程
片元著色器具體是如何控制顏色生成的呢？
如上圖，頂點著色器是有多少頂點，運行了多少次，而片元著色器則是，生成多少片元（像素），運行多少次。
4.3、WebGL的完整工作流程
至此，實質(zhì)上，WebGL經(jīng)歷了如下處理流程：
1、準(zhǔn)備數(shù)據(jù)階段
在這個階段，我們需要提供頂點坐標(biāo)、索引（三角形繪制順序）、uv（決定貼圖坐標(biāo)）、法線（決定光照效果），以及各種矩陣（比如投影矩陣）。
其中頂點數(shù)據(jù)存儲在緩存區(qū)（因為數(shù)量巨大），以修飾符attribute傳遞給頂點著色器；
矩陣則以修飾符uniform傳遞給頂點著色器。
2、生成頂點著色器
根據(jù)我們需要，由Javascript定義一段頂點著色器（opengl es）程序的字符串，生成并且編譯成一段著色器程序傳遞給GPU。
3、圖元裝配
GPU根據(jù)頂點數(shù)量，挨個執(zhí)行頂點著色器程序，生成頂點最終的坐標(biāo)，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
4、生成片元著色器
模型是什么顏色，看起來是什么質(zhì)地，光照效果，陰影（流程較復(fù)雜，需要先渲染到紋理，可以先不關(guān)注），都在這個階段處理。
5、光柵化
能過片元著色器，我們確定好了每個片元的顏色，以及根據(jù)深度緩存區(qū)判斷哪些片元被擋住了，不需要渲染，最終將片元信息存儲到顏色緩存區(qū)，最終完成整個渲染。
五、Three.js究竟做了什么？
我們知道，three.js幫我們完成了很多事情，但是它具體做了什么呢，他在整個流程中，扮演了什么角色呢？
我們先簡單看一下，three.js參與的流程：
黃色和綠色部分，都是three.js參與的部分，其中黃色是javascript部分，綠色是opengl es部分。
我們發(fā)現(xiàn)，能做的，three.js基本上都幫我們做了。
- 輔助我們導(dǎo)出了模型數(shù)據(jù)；
- 自動生成了各種矩陣；
- 生成了頂點著色器；
- 輔助我們生成材質(zhì)，配置燈光；
- 根據(jù)我們設(shè)置的材質(zhì)生成了片元著色器。
而且將webGL基于光柵化的2D API，封裝成了我們?nèi)祟惸芸炊?3D API。
5.1、Three.js頂點處理流程
從WebGL工作原理的章節(jié)中，我們已經(jīng)知道了頂點著色器會將三維世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成屏幕坐標(biāo)，但實際上，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不限于投影矩陣。
如下圖：
之前WebGL在圖元裝配之后的結(jié)果，由于我們認為模型是固定在坐標(biāo)原點，并且相機在x軸和y軸坐標(biāo)都是0，其實正常的結(jié)果是這樣的：
5.1.1、模型矩陣
現(xiàn)在，我們將模型順時針旋轉(zhuǎn)Math.PI/6，所有頂點位置肯定都變化了。
box.rotation.y = Math.PI/6;
但是，如果我們直接將頂點位置用javascript計算出來，那性能會很低（頂點通常成千上萬），而且，這些數(shù)據(jù)也非常不利于維護。
所以，我們用矩陣modelMatrix將這個旋轉(zhuǎn)信息記錄下來。
5.1.2、視圖矩陣
然后，我們將相機往上偏移30。
camera.position.y = 30;
同理，我們用矩陣viewMatrix將移動信息記錄下來。
5.1.3、投影矩陣
這是我們之前介紹過的了，我們用projectMatrix記錄。
5.1.4、應(yīng)用矩陣
然后，我們編寫頂點著色器：
gl_Position = position * modelMatrix * viewMatrix * projectionMatrix;
這樣，我們就在GPU中，將最終頂點位置計算出來了。
實際上，上面所有步驟，three.js都幫我們完成了。
5.2、片元著色器處理流程
我們已經(jīng)知道片元著色器負責(zé)處理材質(zhì)、燈光等信息，但具體是怎么處理呢？
如下圖：
5.3、three.js完整運行流程：
當(dāng)我們選擇材質(zhì)后，three.js會根據(jù)我們所選的材質(zhì)，選擇對應(yīng)的頂點著色器和片元著色器。
three.js中已經(jīng)內(nèi)置了我們常用著色器。
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