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WebGL 渲染到纹理

此文上接WebGL系列文章,第一篇是基础概念, 上一篇是写入数据到纹理, 如果没读请先去那里。

上篇讲到如何利用JavaScript向纹理提供数据,这篇文章我们会使用WebGL渲染内容到纹理上, 这个话题在图像处理中简单讲到过, 但这里将详细介绍。

渲染到纹理非常简单,创建一个确定大小的纹理

// 创建渲染对象
const targetTextureWidth = 256;
const targetTextureHeight = 256;
const targetTexture = gl.createTexture();
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, targetTexture);

{
  // 定义 0 级的大小和格式
  const level = 0;
  const internalFormat = gl.RGBA;
  const border = 0;
  const format = gl.RGBA;
  const type = gl.UNSIGNED_BYTE;
  const data = null;
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, level, internalFormat,
                targetTextureWidth, targetTextureHeight, border,
                format, type, data);

  // 设置筛选器,不需要使用贴图
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);
}

注意 datanull,我们不需要提供数据,只需要让WebGL分配一个纹理。

接下来创建一个帧缓冲(framebuffer),帧缓冲只是一个附件集,附件是纹理或者 renderbuffers, 我们之前讲过纹理,Renderbuffers 和纹理很像但是支持纹理不支持的格式和可选项,同时, 不能像纹理那样直接将 renderbuffer 提供给着色器。

让我们来创建一个帧缓冲并和纹理绑定

// 创建并绑定帧缓冲
const fb = gl.createFramebuffer();
gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, fb);

// 附加纹理为第一个颜色附件
const attachmentPoint = gl.COLOR_ATTACHMENT0;
gl.framebufferTexture2D(gl.FRAMEBUFFER, attachmentPoint, gl.TEXTURE_2D, tex, level);

与纹理和缓冲相似,在创建完帧缓冲后我们需要将它绑定到 FRAMEBUFFER 绑定点, 那样所有的方法都会作用到绑定的帧缓冲,无论是哪个帧缓冲。

绑定帧缓冲后,每次调用 gl.clear, gl.drawArrays, 或 gl.drawElements WebGL都会渲染到纹理上而不是画布上。

将原来的渲染代码构造成一个方法,就可以调用两次,一次渲染到纹理,一次渲染到画布。

function drawCube(aspect) {
  // 告诉它使用的程序(着色器对)
  gl.useProgram(program);

  // 启用位置属性
  gl.enableVertexAttribArray(positionLocation);

  // 绑定到位置缓冲
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);

  // 告诉位置属性如何从 positionBuffer (ARRAY_BUFFER) 中读取数据
  var size = 3;          // 每次迭代需要三个单位数据
  var type = gl.FLOAT;   // 单位数据类型为 32 位浮点型
  var normalize = false; // 不需要单位化
  var stride = 0;        // 每次迭代移动的距离
  var offset = 0;        // 从缓冲起始处开始
  gl.vertexAttribPointer(
      positionLocation, size, type, normalize, stride, offset)

  // 启用纹理坐标属性
  gl.enableVertexAttribArray(texcoordLocation);

  // 绑定纹理坐标缓冲
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, texcoordBuffer);

  // 告诉纹理坐标属性如何从 texcoordBuffer 读取数据
  var size = 2;          // 每次迭代两个单位数据
  var type = gl.FLOAT;   // 单位数据类型是 32 位浮点型
  var normalize = false; // 不需要单位化数据
  var stride = 0;        // 每次迭代移动的数据
  var offset = 0;        // 从缓冲起始处开始
  gl.vertexAttribPointer(
      texcoordLocation, size, type, normalize, stride, offset)

  // 计算投影矩阵

-  var aspect = gl.canvas.clientWidth / gl.canvas.clientHeight;
  var projectionMatrix =
      m4.perspective(fieldOfViewRadians, aspect, 1, 2000);

  var cameraPosition = [0, 0, 2];
  var up = [0, 1, 0];
  var target = [0, 0, 0];

  // 计算相机矩阵
  var cameraMatrix = m4.lookAt(cameraPosition, target, up);

  // 根据相机矩阵计算视图矩阵
  var viewMatrix = m4.inverse(cameraMatrix);

  var viewProjectionMatrix = m4.multiply(projectionMatrix, viewMatrix);

  var matrix = m4.xRotate(viewProjectionMatrix, modelXRotationRadians);
  matrix = m4.yRotate(matrix, modelYRotationRadians);

  // 设置矩阵
  gl.uniformMatrix4fv(matrixLocation, false, matrix);

  // 使用纹理单元 0
  gl.uniform1i(textureLocation, 0);

  // 绘制几何体
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6 * 6);
}

注意到我们需要传入 aspect 计算投影矩阵,因为目标纹理的比例和画布不同。

然后这样调用

// 绘制场景
function drawScene(time) {

  ...

  {
    // 通过绑定帧缓冲绘制到纹理
    gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, fb);

    // 使用 3×2 的纹理渲染立方体
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);

    // 告诉WebGL如何从裁剪空间映射到像素空间
    gl.viewport(0, 0, targetTextureWidth, targetTextureHeight);

    // 清空画布和深度缓冲
    gl.clearColor(0, 0, 1, 1);   // clear to blue
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

    const aspect = targetTextureWidth / targetTextureHeight;
    drawCube(aspect)
  }

  {
    // 渲染到画布
    gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, null);

    // 立方体使用刚才渲染的纹理
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, targetTexture);

    // 告诉WebGL如何从裁剪空间映射到像素空间
    gl.viewport(0, 0, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

    // 清空画布和深度缓冲
    gl.clearColor(1, 1, 1, 1);   // clear to white
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

    const aspect = gl.canvas.clientWidth / gl.canvas.clientHeight;
    drawCube(aspect)
  }

  requestAnimationFrame(drawScene);
}

这是结果

十分重要的是要记得调用 gl.viewport 设置要绘制的对象的大小, 在这个例子中第一次渲染到纹理,所以设置视图大小覆盖纹理, 第二次渲染到画布所以设置视图大小覆盖画布。

同样的当我们计算投影矩阵的时候需要使用正确的比例,我花了无数个小时调试,寻找出现搞笑的渲染结果的原因, 最后发现是少调用了一个 gl.viewport 或者都忘了,并使用正确的比例,由于在代码中很少直接调用 gl.bindFramebuffer 所以就容易忘掉这些。所以我把这个方法调用放在一个方法里,像这样

function bindFrambufferAndSetViewport(fb, width, height) {
   gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, fb);
   gl.viewport(0, 0, width, height);
}

然后使用这个方法改变渲染对象,就不容易忘记了。

还有一个需要注意的事情是我们的帧缓冲没有深度缓冲,只有纹理。这意味着没有深度检测, 所以三维就不能正常体现,如果我们绘制三个立方体就会看到这样。

如果仔细看中间的立方体,会看到 3 个垂直绘制的立方体,一个在后面,一个在中间另一个在前面, 但是我们绘制的三个立方体是相同深度的,观察画布上水平方向的 3 个立方体就会发现他们是正确相交的。 那是因为在帧缓冲中没有深度缓冲,但是画布有。

想要加深度缓冲就需要创建一个,然后附加到帧缓冲中

// 创建一个深度缓冲
const depthBuffer = gl.createRenderbuffer();
gl.bindRenderbuffer(gl.RENDERBUFFER, depthBuffer);

// 设置深度缓冲的大小和targetTexture相同
gl.renderbufferStorage(gl.RENDERBUFFER, gl.DEPTH_COMPONENT16, targetTextureWidth, targetTextureHeight);
gl.framebufferRenderbuffer(gl.FRAMEBUFFER, gl.DEPTH_ATTACHMENT, gl.RENDERBUFFER, depthBuffer);

有了这个以后的结果。

现在帧缓冲附加了深度缓冲以后内部的立方体也能正确相交了。

需要特别注意的是WebGL只允许三种附件组合形式。 根据规范 一定能正确运行的附件组合是:

  • COLOR_ATTACHMENT0 = RGBA/UNSIGNED_BYTE texture
  • COLOR_ATTACHMENT0 = RGBA/UNSIGNED_BYTE texture + DEPTH_ATTACHMENT = DEPTH_COMPONENT16 renderbuffer
  • COLOR_ATTACHMENT0 = RGBA/UNSIGNED_BYTE texture + DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT = DEPTH_STENCIL renderbuffer

对于其他的组合就需要检查用户系统/gpu/驱动/浏览器的支持情况。 要检查的话需要创建帧缓冲,附加附件,然后调用

var status = gl.checkFramebufferStatus(gl.FRAMEBUFFER);

如果状态是 FRAMEBUFFER_COMPLETE 那这种组合就能使用,反之不能使用。 你就需要告诉用户他们不走运或者撤销一些方法。

如果你还没有看过简化WebGL代码的话, 可以看一下。

其实 Canvas 本身就是一个纹理

只是一点小事,浏览器使用上方的技术实现的画布,在背后它们创建了一个颜色纹理, 一个深度缓冲,一个帧缓冲,然后绑定到当前的帧缓冲, 当你调用你的渲染方法时就会绘制到那个纹理上, 然后再用那个纹理将画布渲染到网页中。

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