WebGL 渲染管线详解——从顶点到像素的奇幻旅程（二）

WebGL 渲染管线详解——从顶点到像素的奇幻旅程(二)

引言

上篇文章中，我们一起探讨了 WebGL 是如何将一个普通的画布变成一个 3D 舞台的。而今天，我们将继续这段旅程，深入了解 WebGL 的渲染管线。 WebGL 渲染管线就像是一个精密的工厂，它将我们用代码创建的 3D 物体通过一系列步骤变成屏幕上的图像。每个步骤都至关重要，理解它们的工作原理，将帮助你更好地控制图形渲染的每个细节。

但在我们进入渲染管线之前，有一个重要的概念需要了解——GLSL（OpenGL Shading Language）。这是一种编程语言，用于编写 WebGL 的着色器程序。着色器是渲染管线中的核心部分，它们决定了物体的外观、颜色和光影效果。今天的内容就像是解密了 WebGL 渲染的每一个环节，从顶点到像素，我们一起来揭开这个奇妙的过程！

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GLSL 基础：着色器的编程语言

在深入 WebGL 渲染管线之前，我们需要先了解 GLSL，它是 WebGL 用来编写着色器的编程语言。着色器决定了顶点的处理、光照效果、物体的颜色等。在 WebGL 中，我们通过 GLSL 编写两种类型的着色器：顶点着色器和片元着色器。

GLSL 语法基础

GLSL 的语法与 C 语言相似，如果你熟悉 C 语言，学习 GLSL 会更轻松。GLSL 程序通常由以下几个部分组成：

变量声明：GLSL 支持多种数据类型，如标量类型（float、int）、向量类型（vec2、vec3、vec4）、矩阵类型（mat4）等。
属性和 uniform：attribute 用于传递顶点数据，uniform 用于传递常量数据（例如矩阵、光源位置等）。
内建变量：如 gl_Position（顶点位置）、gl_FragColor（片元颜色）等。

一下子看不明白不用担心，这里只是做简单的介绍，有一个基础的概念，后续会通过一个一个例子带大家深入理解

顶点着色器与片元着色器

在 WebGL 渲染管线中，最常用的两种着色器是顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）：

顶点着色器负责处理每个顶点的位置和其他属性（如颜色、法线、纹理坐标等）。它的输出通常是顶点的位置和其他传递给片元着色器的数据。
片元着色器负责处理每个片元（像素）的颜色，它决定了物体的最终颜色、光照效果等。

一个简单的顶点着色器示例：

attribute vec4 a_position;       // 顶点位置
uniform mat4 u_modelViewMatrix;  // 模型视图矩阵
uniform mat4 u_projectionMatrix; // 投影矩阵
 
void main() {
    // 顶点变换：将顶点位置从模型空间变换到裁剪空间
    gl_Position = u_projectionMatrix * u_modelViewMatrix * a_position;
}

在这段代码中，我们通过模型视图矩阵和投影矩阵将顶点坐标从模型空间转换到裁剪空间，最终计算出顶点在屏幕上的位置。

一个简单的片元着色器示例：

uniform vec3 u_lightColor;       // 光源颜色
uniform vec3 u_objectColor;      // 物体颜色
varying vec3 v_normal;           // 法线信息
 
void main() {
    // 计算漫反射光照
    float diff = max(dot(normalize(v_normal), vec3(0.0, 0.0, 1.0)), 0.0);
    vec3 diffuse = diff * u_lightColor;
 
    // 输出最终颜色
    vec3 color = u_objectColor * diffuse;
    gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
}

在片元着色器中，我们计算光源与物体表面法线之间的点积，用来确定该点的光照强度，并根据光照强度改变物体的颜色。

今天简单的介绍了 GLSL 的基本概念和基础示例，但要真正掌握它，还需要深入了解更多高级特性和应用技巧。在后续的文章中，会通过一个一个列子讲解如何编写更复杂的着色器，例如实现纹理映射、光照模型、阴影效果等。

WebGL 渲染管线详解：从顶点到像素

现在，我们已经简单了解了 GLSL 的基础，接下来就让我们一起进入 WebGL 渲染管线的奇妙世界。WebGL 渲染管线的过程大致可以分为以下几个阶段：

顶点处理——从模型到世界

渲染管线的第一步是顶点着色器，它的任务是处理每个顶点的数据，进行变换，使得物体的顶点可以准确地展示在屏幕上。

顶点着色器接受每个顶点的位置、法线、纹理坐标等数据，并进行变换。常见的变换包括：模型变换（将物体从局部坐标系转换到世界坐标系），视图变换（将世界坐标系转换到观察空间），投影变换（将三维空间转换为二维屏幕空间）。
顶点着色器的输出是变换后的顶点位置和其他传递给片元着色器的数据。

想象你是一个模型设计师（顶点着色器），负责将原始材料（顶点数据）加工成可以用于建造建筑的砖块。你要用尺子测量每块砖的位置，并标记好放置的角度（坐标变换），这样建筑师（光栅化阶段）才能接手建造。

光栅化——从几何到像素

接下来，光栅化阶段将我们在顶点着色器中创建的几何形状（如三角形）转换为片元（像素）。每个片元代表一个潜在的像素位置，它包含了该像素的颜色、深度和其他属性。

光栅化会根据传入的顶点数据来计算哪些像素被三角形覆盖，并生成每个片元的相关数据（如深度、纹理坐标等）。这些数据将会传递给片元着色器。

如果顶点处理是建造了一座房子的骨架，那么光栅化就是用砖块铺满房子的墙面和地板。每块砖（片元）都表示房子的一部分，等着被粉刷上颜色。

片元处理——为每个像素上色

在片元着色器阶段，WebGL 会根据光栅化阶段生成的片元数据来计算每个片元的颜色。片元着色器的任务是：

根据光照模型计算每个像素的颜色。
使用纹理映射给物体上色。
处理透明度、阴影等效果。

片元着色器的输出是每个片元的最终颜色值。

片元着色器就像一位画家，他拿着画笔（片元着色器程序）为每块砖（片元）上色。他不仅要决定砖的颜色，还要根据光线的方向绘制出阴影和高光，让整座房子看起来更加立体和生动。

输出合成——最终呈现图像

最后，WebGL 会将片元着色器的输出与当前帧缓冲中的内容合成，形成最终的图像。这个过程包括：

深度测试：判断当前片元是否应该被绘制，如果当前片元在其他片元前面，则会被丢弃。
混合：如果开启了透明度，WebGL 会根据透明度值混合当前片元和背景像素。

想象一位摄影师，他需要在多个不同的场景中选择最完美的镜头，最终组合成一张精美的照片。深度测试就像选择前景还是背景，而混合则决定如何处理透明物体，让照片更加真实。

在整条渲染管线中，每个阶段都像是一个工厂流水线上的岗位：

顶点着色器是设计师，为每个零件规划位置；
光栅化是建造师，将零件拼接成完整的形状；
片元着色器是画家，为形状赋予生命；
输出合成是摄影师，让画面更加完美。

WebGL 的渲染管线由固定阶段和可编程阶段共同组成，在 WebGL 渲染管线中，固定阶段：包括输入装配、光栅化、深度测试等，由硬件优化处理，开发者无法直接控制。只有顶点着色器和片元着色器是可编程的阶段，开发者只需编写顶点和片元着色器代码，就能自定义渲染效果，其余流程无需操心。

结语：探索 WebGL 的无限可能

通过本文的介绍，相信你已经对 WebGL 渲染管线有了更深入的理解。每个环节的设计都至关重要，从顶点处理到片元处理，再到最终的图像合成，渲染管线的每个阶段都决定着图形的表现。希望你能在探索 WebGL 的过程中，享受创造和实验的乐趣！

在接下来的文章中，我们将继续深入探讨 WebGL 的高级技巧，包括如何优化渲染性能、如何进行复杂的光照计算、如何使用纹理和材质等。敬请期待！