40 | WebGL介绍（四）：重新认识右手坐标系及如何编写顶点着色器代码-微信小程序全栈开发实战(上)

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### 40 | WebGL介绍（四）：重新认识右手坐标系及如何编写顶点着色器代码

在WebGL的广阔世界中，深入理解坐标系统和着色器编程是通往高性能3D图形应用的必经之路。本章将带您深入探索WebGL中至关重要的右手坐标系概念，并手把手教您如何编写顶点着色器（Vertex Shader）代码，这是实现3D图形渲染的基础。

#### 40.1 右手坐标系的奥秘

在三维图形学中，坐标系的选择对于物体的定位、旋转和缩放至关重要。WebGL遵循OpenGL的传统，采用**右手坐标系**。与数学和物理中常见的左手坐标系相比，右手坐标系在视觉表示和计算上有其独特的优势，特别是在处理光照、阴影和摄像机变换时。

##### 40.1.1 右手坐标系的定义

- **X轴**：通常指向屏幕右侧。
- **Y轴**：垂直向上，符合大多数图形界面的直观感受。
- **Z轴**：根据右手定则确定，即右手拇指指向Z轴正方向，弯曲的四指从X轴正方向旋转90度到Y轴正方向。这一规则确保了当您面向屏幕时，Z轴的正方向是“穿出”屏幕。

##### 40.1.2 为什么选择右手坐标系？

WebGL及OpenGL之所以选择右手坐标系，部分原因在于历史沿袭和计算上的便利。此外，右手坐标系在处理某些类型的数学运算（如叉积）时，能够保持方向的一致性，减少混淆。同时，它也便于与某些物理定律（如电磁学中的右手定则）保持一致，虽然这在图形渲染中并非直接相关，但有助于构建统一的认知体系。

##### 40.1.3 实践中的右手坐标系

在实际开发中，当您使用WebGL进行3D建模、场景构建或摄像机控制时，需要时刻铭记右手坐标系的规则。例如，当您绕Y轴旋转物体时，正方向是顺时针（面向Z轴正方向看），这与我们日常经验中的顺时针旋转方向（面向物体顶部看）可能有所不同，但正是这种差异让WebGL的3D世界更加符合逻辑和一致。

#### 40.2 顶点着色器基础

顶点着色器是WebGL着色器语言GLSL（OpenGL Shading Language）编写的程序，负责处理图形的顶点数据。顶点数据包括位置、颜色、纹理坐标等，经过顶点着色器处理后，会被传递给后续的图元组装和光栅化阶段，最终形成屏幕上可见的像素。

##### 40.2.1 顶点着色器的作用

- **变换顶点位置**：根据模型、视图和投影矩阵，将顶点的局部坐标转换为屏幕坐标。
- **计算顶点属性**：如颜色、法线等，这些属性可能基于顶点的位置或其他输入属性计算得出。
- **传递数据给片元着色器**：顶点着色器可以计算出并传递一些数据给片元着色器，用于进一步的渲染处理。

##### 40.2.2 GLSL语言简介

GLSL是一种类似于C的着色器语言，专为图形处理器（GPU）设计，具有高并行性和低延迟的特点。在GLSL中，顶点着色器通常定义为一个`#version`指令开始的程序，包含多个输入、输出和统一变量（uniform），以及执行顶点处理操作的函数`main()`。

##### 40.2.3 编写顶点着色器代码示例

下面是一个简单的顶点着色器示例，它接受顶点的位置作为输入，将其乘以一个变换矩阵（这里假设为`u_modelViewProjectionMatrix`），并将结果输出到`gl_Position`内置变量，用于后续的渲染管线处理。

```glsl
#version 300 es
precision highp float;

// 输入变量
in vec4 a_position;

// 统一变量（从CPU传递）
uniform mat4 u_modelViewProjectionMatrix;

// 输出变量
out vec4 v_color; // 假设我们还想传递颜色信息到片元着色器

void main() {
    // 变换顶点位置
    gl_Position = u_modelViewProjectionMatrix * a_position;

// 假设我们给所有顶点赋予相同的颜色（这里仅为示例）
    v_color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 红色
}
```

在这个例子中，`a_position`是顶点着色器的输入变量，代表顶点的位置。`u_modelViewProjectionMatrix`是一个统一变量，用于存储从CPU传递到GPU的变换矩阵。`gl_Position`是GLSL内置的输出变量，用于存储变换后的顶点位置。`v_color`是我们自定义的输出变量，用于将颜色信息传递给片元着色器。

#### 40.3 深入理解与实践

编写顶点着色器只是WebGL开发中的一小步，但要精通此技能，还需要不断实践和学习。以下是一些建议，帮助您更深入地理解和掌握顶点着色器编程：

- **学习GLSL语言**：深入了解GLSL的语法、数据类型、控制流、函数等基本概念。
- **掌握变换矩阵**：理解模型、视图和投影矩阵的作用及其如何影响顶点的位置。
- **实践案例**：通过实现简单的3D图形（如立方体、球体等）来巩固所学知识。
- **阅读文档和教程**：WebGL和GLSL的官方文档是宝贵的资源，同时也有许多优秀的在线教程和书籍可供参考。
- **性能优化**：了解GPU的工作原理，学习如何通过优化着色器代码来提高渲染性能。

通过本章的学习，您应该对WebGL中的右手坐标系有了更深入的理解，并掌握了编写基本顶点着色器的方法。这将是您探索WebGL广阔世界、实现复杂3D图形应用的重要一步。随着实践的深入，您将能够编写出更加高效、灵活的着色器代码，为用户带来更加震撼的视觉效果。

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