WebGL для всех

Идея данной статьи родилась после нескольких мучительных недель изучения WebGL. На личном примере выяснилось, что люди, не сталкивающиеся до этого с 3D-графикой, имеют в основном ошибочные представления о работе данной технологии. К тому же была проблема с поиском информации в интернете.

WebGL, в отличие от Javascript, имеет высокий порог вхождения, его до сих пор мало кто использует, а ещё меньше тех, кто об этом пишет. Большинство руководств или статей перепрыгивают сразу на использование какой-нибудь библиотеки. Но мы-то с вами знаем, что большие универсальные инструменты не всегда пригодны для наших задач или, возможно, делают это на неприемлемом уровне: проигрывают в скорости, поставляются с ненужным багажом и т.д.

Этой статьёй хочется облегчить порог вхождения в чистый WebGL, дать начальное представление и подсказать, куда двигаться дальше.

Технология WebGL позволяет рисовать графику в браузере, используя возможности видеокарты, тогда как раньше мы могли использовать только процессор. Если вы не понимаете, что это даёт, советую посмотреть эту небольшую демонстрацию.

WebGL основан на OpenGL ES 2.0, который, в свою очередь, является специальной версией для работы на мобильных устройствах. Спецификация WebGL была выпущена в 2011 году, разрабатывается и поддерживается некоммерческой организацией Kronos Group, сайт которой частенько лежит, что ещё более усложняет изучение. Известно, что в настоящее время идёт разработка спецификации версии 2.0.

WebGL доступен в большинстве современных браузеров и поддерживается у 83% пользователей. Приятным бонусом разработки на WebGL является то, что вы будете поддерживать только современные браузеры и забудете о кошмарах ECMAScript 3.

Если вы думаете, что WebGL рисует 3D, вы ошибаетесь. WebGL ничего не знает о 3D, это скорее низкоуровневый 2D API, и всё что он умеет делать, это рисовать треугольники. Но он умеет рисовать их очень много и очень быстро.

Хотите нарисовать квадрат? Пожалуйста, соедините два треугольника. Нужна линия? Без проблем, всего лишь несколько последовательно соединенных треугольников.

Как нарисовать треугольник

Поскольку все фигуры в WebGL состоят из треугольников, поэтапно разберём, как отобразить один треугольник.

В отличие от OpenGL, в WebGL для отрисовки используются только шейдеры. Шейдеры никак не связаны, как вы могли бы подумать, с тенями или затенениями. Возможно, задумывались они именно для этого, но теперь используются для рисования всего и вся повсеместно.

Шейдер — это программа, выполняемая на видеокарте и использующая язык GLSL. Этот язык достаточно простой, и его изучение не представляет проблемы.

Всего есть два вида шейдеров: вершинный и фрагментый, и для отрисовки абсолютно любой фигуры всегда используются оба. Разберёмся с каждым по очереди.

Чтобы понять суть работы вершинного шейдера, абстрагируемся от задачи с треугольником и предположим, что вы хотите нарисовать куб или любую другую фигуру со множеством вершин. Для этого вам нужно задать её геометрию, а геометрия в свою очередь задаётся с помощью указания координат вершин. Было бы накладно самим каждый раз вычислять новые координаты всех вершин при изменении положения куба в пространстве. Такую работу лучше переложить с процессора на видеокарту, для этого и существует вершинный шейдер.

В него передаются координаты вершин фигуры и положение локальной системы координат, в которой эти вершины заданы. Вершинный шейдер вызывается для каждой из вершин, он вычисляет их положение в глобальной системе координат и передаёт дальше для работы фрагментного шейдера.

Вершинный шейдер всегда вычисляет положение вершин, но попутно он может выполнять и другую работу, например, подсчёт угла падения света. Энтузиасты делают потрясающие вещи, используя возможности вершинных шейдеров.

Знания положения фигуры недостаточно, чтобы её нарисовать. Необходима также информация о том, как должна быть раскрашена фигура, для этого служит фрагментный шейдер. Он вызывается для каждой точки поверхности фигуры и на основе переданной информации вычисляет цвет пикселя на экране.

Как уже было сказано выше, код шейдеров пишется на языке GLSL. Рассмотрим код шейдеров для треугольника:

Пример вершинного шейдера:

attribute vec3 a_position; attribute vec3 a_color; uniform vec3 u_position; varying vec3 v_color;  void main(void) {     v_color = a_color;     gl_Position = vec4(u_position + a_position, 1.0); } 

Пример фрагментного шейдера:

precision mediump float; varying vec3 v_сolor;  void main(void) {     gl_FragColor = vec4(v_color.rgb, 1.0); } 

Код состоит из переменных и главной функции, возвращающей основной результат работы шейдера: gl_Position передаёт координаты, а gl_FragColor устанавливает цвет.

Шейдеры имеют три типа переменных, которые передаются из основной программы:

1. attributes — доступны только в вершинном шейдере, разные для каждой из вершин;
2. uniforms — доступны в обоих шейдерах и одинаковы для всех вызовов шейдера;
3. varying — служат для передачи информации от вершинного шейдера к фрагментному.

При вызове фрагментого шейдера для конкретной точки, значения varying переменных линейно интерполируются между вершинами треугольника, которому принадлежит данная точка.

Попробуем инициализировать данные шейдеры. Для начала получим контекст WebGL:

var gl = canvas.getContext(‘webgl’); 

Код шейдеров представляется обычной строкой и для использования его нужно скомпилировать:

var vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER); gl.shaderSource(vertexShader, document.getElementById('vertexShader').text); gl.compileShader(vertexShader);  var fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER); gl.shaderSource(fragmentShader, document.getElementById('fragmentShader').text); gl.compileShader(fragmentShader); 

Для связывания двух типов шейдеров вместе используется шейдерная программа:

var program = gl.createProgram(); gl.attachShader(program, vertexShader); gl.attachShader(program, fragmentShader); gl.linkProgram(program); 

Если uniform-переменные связываются напрямую с переменными из js, то для атрибутов нужно использовать ещё одну сущность — буферы. Данные буферов хранятся в памяти видеокарты, что даёт значительный прирост в скорости рендеринга.

В нашем случае нам понадобятся:

1. буфер вершин, который хранит всю информацию о расположению вершин геометрии;
2. буфер цветов с информацией о цвете вершин.

Зададим буфер вершин:

Вершины имеют координаты:

• (0, 0, 0);
• (0.5, 1, 0);
• (1, 0, 0).

Стоит отметить, что при работе с буферами следует учитывать несколько особенностей:

1. данные в буфер передаются одним массивом без вложенности, в случае нашего треугольника данные будут выглядеть следующим образом: [0, 0, 0, 0.5, 1, 0, 1, 0, 0];
2. передаваться должны только типизированные массивы;
3. прежде чем передать данные, вы должны точно указать, какой буфер будет использоваться, методом gl.bindBuffer.

Как это будет выглядеть в программе:

var vertexBuffer = gl.createBuffer(); var vertices = [0, 0, 0, 0.5, 1, 0, 1, 0, 0]; gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer); gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices),  gl.STATIC_DRAW); 

Создадим аналогичным образом буфер цветов. Цвет указываем для каждой из вершин в формате RGB, где каждая компонента цвета от 0 до 1:

var colorBuffer = gl.createBuffer(); var colors = [1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1]; gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer); gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(colors), gl.STATIC_DRAW); 

Всё, что нам осталось, чтобы нарисовать треугольник, — это связать данные с переменными шейдерной программы и вызвать методы отрисовки. Для этого:

// Получим местоположение переменных в программе шейдеров var uPosition = gl.getUniformLocation(program, 'u_position'); var aPosition = gl.getAttribLocation(program, 'a_position'); var aColor = gl.getAttribLocation(program, 'a_color');  // Укажем какую шейдерную программу мы намерены далее использовать gl.useProgram(program);  // Передаем в uniform-переменную положение треугольника gl.uniform3fv(uPosition, [0, 0, 0]);  // Связываем данные цветов gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer); gl.enableVertexAttribArray(aColor); // Вторым аргументом передаём размерность, RGB имеет 3 компоненты gl.vertexAttribPointer(aColor, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);  // И вершин gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer); gl.enableVertexAttribArray(aPosition); gl.vertexAttribPointer(aPosition, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);  // Очищаем сцену, закрашивая её в белый цвет gl.clearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0); gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);  // Рисуем треугольник // Третьим аргументом передаём количество вершин геометрии gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3); 

Наш треугольник готов:

Как я и говорил, цвет пикселей внутри треугольника линейно интерполируется между разноцветными вершинами. Мы смогли нарисовать самую простейшую фигуру с помощью WebGL и познакомились с шейдерами и буферами. Перейдём к следующему этапу.

Как нарисовать куб и заставить его вращаться

Попробуем усложнить задачу и нарисуем трёхмерный вращающийся куб. Куб будет состоять из шести граней, в каждой по два треугольника:

Нам придётся прописать каждую вершину каждого треугольника. Есть способы использовать более короткую запись, но для начала сделаем по-простому:

var vertexBuffer = gl.createBuffer(); var vertices = [     // Передняя грань     -1, -1, -1,     1, -1, -1,     -1, -1, 1,      1, -1, 1,     -1, -1, 1,     1, -1, -1,      // Задняя грань     -1, 1, -1,     -1, 1, 1,     1, 1, -1,      1, 1, 1,     1, 1, -1,     -1, 1, 1,      // Нижняя грань     -1, -1, -1,     -1, 1, -1,     1, -1, -1,      1, 1, -1,     1, -1, -1,     -1, 1, -1,      // Верхняя грань     -1, -1, 1,     1, -1, 1,     -1, 1, 1,      1, 1, 1,     -1, 1, 1,     1, -1, 1,      // Левая грань     -1, -1, -1,     -1, -1, 1,     -1, 1, -1,      -1, 1, 1,     -1, 1, -1,     -1, -1, 1,      // Правая грань     1, -1, -1,     1, 1, -1,     1, -1, 1,      1, 1, 1,     1, -1, 1,     1, 1, -1 ]; gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer); gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW); 

Аналогично запишем буфер цветов, раскрасив грани куба в три цвета:

1. (1, 0.5, 0.5)
2. (0.5, 0.7, 1)
3. (0.3, 1, 0.3)

var colorBuffer = gl.createBuffer(); var colors = [     // Передняя грань     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,      // Задняя грань     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,     1, 0.5, 0.5,      // Нижняя грань     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,      // Верхняя грань     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,     0.5, 0.7, 1,      // Левая грань     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,      // Правая грань     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3,     0.3, 1, 0.3 ]; gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer); gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(colors), gl.STATIC_DRAW); 

Положение треугольника в пространстве задавалось с помощью вектора размерности три. Но фигура может не только менять положение, она может ещё вращаться и масштабироваться. Поэтому в трёхмерной графике используются не вектор положения, а матрица.

Известно, что матрица поворота в трёхмерном пространстве задаётся с помощью матрицы размером 3×3. К этой матрице добавляется вектор положения, таким образом, в итоге используется матрица 4×4.

WebGL никак не помогает нам работать с матрицами, поэтому, чтобы не тратить на них много времени, будем использовать довольно известную библиотеку glMatrix. Создадим с помощью неё единичную матрицу положения:

var cubeMatrix = mat4.create(); 

Чтобы отрисовать трёхмерный объект, нам нужно ввести понятие камеры. Камера, как и любой объект, имеет своё положение в пространстве. Она также определяет, какие объекты будут видны на экране, и отвечает за преобразование фигур так, чтобы на экране у нас создалась иллюзия 3D.

За это преобразование отвечает матрица перспективы. C glMatrix она создаётся в две строчки:

var cameraMatrix = mat4.create(); mat4.perspective(cameraMatrix, 45, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000); 

Метод mat4.perspective(matrix, fov, aspect, near, far) принимает пять параметров:

1. matrix — матрица, которую необходимо изменить;
2. fov — угл обзора в радианах;
3. aspect — cоотношение сторон экрана;
4. near — минимальное расстояние до объектов, которые будут видны;
5. far — максимальное расстояние до объектов, которые будут видны.

Чтобы изображение куба попало в камеру, сдвинем камеру по оси Z:

mat4.translate(cameraMatrix, cameraMatrix, [0, 0, -5]); 

В отличие от треугольника, в шейдерах для куба дополнительно используется матрица положения и матрица камеры:

Вершинный шейдер:

attribute vec3 a_position; attribute vec3 a_color; uniform mat4 u_cube; uniform mat4 u_camera; varying vec3 v_color; void main(void) {     v_color = a_color;     gl_Position = u_camera * u_cube * vec4(a_position, 1.0); } 

Фрагментый шейдер:

precision mediump float; varying vec3 v_color; void main(void) {     gl_FragColor = vec4(v_color.rgb, 1.0); } 

Инициализация шейдеров происходит точно так же, как и в случае треугольника:

var vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER); gl.shaderSource(vertexShader, document.getElementById('vertexShader').text); gl.compileShader(vertexShader);  var fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER); gl.shaderSource(fragmentShader, document.getElementById('fragmentShader').text); gl.compileShader(fragmentShader);  var program = gl.createProgram(); gl.attachShader(program, vertexShader); gl.attachShader(program, fragmentShader); gl.linkProgram(program);  var uCube = gl.getUniformLocation(program, 'u_cube'); var uCamera = gl.getUniformLocation(program, 'u_camera'); var aPosition = gl.getAttribLocation(program, 'a_position'); var aColor = gl.getAttribLocation(program, 'a_color'); 

Чтобы куб не стоял на месте, а вращался, необходимо постоянно менять его положение и обновлять кадр. Обновление происходит по средствам вызова встроенной функции requestAnimationFrame.

В отличие от других подобных методов, requestAnimationFrame вызывает переданную функцию только когда видеокарта свободна и готова к отрисовке следующего кадра.

// Создадим единичную матрицу положения куба var cubeMatrix = mat4.create();  // Запомним время последней отрисовки кадра var lastRenderTime = Date.now();  function render() {     // Запрашиваем рендеринг на следующий кадр     requestAnimationFrame(render);      // Получаем время прошедшее с прошлого кадра     var time = Date.now();     var dt = lastRenderTime - time;      // Вращаем куб относительно оси Y     mat4.rotateY(cubeMatrix, cubeMatrix, dt / 1000);     // Вращаем куб относительно оси Z     mat4.rotateZ(cubeMatrix, cubeMatrix, dt / 1000);      // Очищаем сцену, закрашивая её в белый цвет     gl.clearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);     gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);      // Включаем фильтр глубины     gl.enable(gl.DEPTH_TEST);      gl.useProgram(program);      gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);     gl.enableVertexAttribArray(aPosition);     gl.vertexAttribPointer(aPosition, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);      gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);     gl.enableVertexAttribArray(aColor);     gl.vertexAttribPointer(aColor, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);      gl.uniformMatrix4fv(uCube, false, cubeMatrix);     gl.uniformMatrix4fv(uCamera, false, cameraMatrix);      gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 36);      lastRenderTime = time; }  render(); 

Получаем вращающийся куб:

Мы научились рисовать простой куб, поняли, как заставить его вращаться, и познакомились с понятиями матрицы положения и камеры.

Как отлаживать

Поскольку при работе с WebGL часть программы исполняется на стороне видеокарты, процесс отладки значительно усложняется. Нет привычных инструментов в виде DevTools и даже console.log. В интернете есть множество статей и докладов на эту тему, здесь же приведу лишь основные способы.

Чтобы понять, что код шейдеров был написан с ошибкой, после компиляции шейдеров можно использовать следующий метод:

if (!gl.getShaderParameter(vertexShader, gl.COMPILE_STATUS)) {     console.log(gl.getShaderInfoLog(vertexShader)); }  if (!gl.getShaderParameter(fragmentShader, gl.COMPILE_STATUS)) {     console.log(gl.getShaderInfoLog(fragmentShader)); }  if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {     console.log('Could not initialize shaders'); } 

Также есть специальное расширение для браузеров WebGL-Inspector. Оно позволяет отследить загруженные шейдеры, буферы, текстуры в видеокарту, и вызовы методов WebGL.

Ещё есть Shader Editor, в Firefox DevTools этот функционал уже встроен, а для Chrome есть расширение, которое позволяет редактировать код шейдеров прямо в процессе работы приложения.

Куда двигаться дальше

В статье я попробовал осветить основные моменты, которые могут вызвать трудности во время изучения WebGL. Несмотря на то, что в работе требуется использовать разные векторы, матрицы и проекции, знать, как всё устроено внутри, необязательно. WebGL — отличный инструмент для решения целого ряда задач, и использовать его можно не только в геймдеве. Не бойтесь пробовать что-то новое, открывать для себя новые технологии и экспериментировать.

Напоследок — список полезных ресурсов, где можно продолжить изучение WebGL.

• Полный код примеров с треугольником и кубом.
• Краткая сводка WebGL с сайта Kronos Group.
• Для более подробного изучения рекомендую пройти серию уроков WebGL Learning.
• Бесплатный курс на Udacity по основам 3D. Хотя в курсе используется библиотека three.js, он будет полезен всем.
• Доклад Владимира Агафонкина про WebGL и Mapbox c Frontend Dev Conf.
• Слайды доклада Debugging and Optimizing WebGL Applications.

ссылка на оригинал статьи http://habrahabr.ru/post/273735/