46 | WebGL介绍（十）：绘制一个旋转的立方体-微信小程序全栈开发实战(上)

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46 | WebGL介绍（十）：绘制一个旋转的立方体

在WebGL的广阔世界里，从基础的图形绘制到复杂的三维场景构建，每一步都充满了探索的乐趣与挑战。本章节，我们将深入WebGL的核心，通过编写代码来绘制一个旋转的立方体，这不仅是WebGL三维图形渲染能力的一个直观展示，也是理解WebGL中顶点着色器、片元着色器以及矩阵变换等关键概念的重要实践。

一、WebGL基础回顾

在开始之前，让我们简要回顾一下WebGL的基础知识。WebGL是一种在网页浏览器中渲染3D图形的API，它基于OpenGL ES 2.0，允许开发者使用HTML5的<canvas>元素来创建和显示3D图形。WebGL通过GPU加速，能够在网页上实现高效的图形渲染，是构建复杂三维应用和游戏的重要技术基础。

WebGL的工作流程大致如下：

获取WebGL上下文：通过HTML的<canvas>元素，使用getContext('webgl')或getContext('experimental-webgl')方法获取WebGL渲染上下文。
设置顶点和片元着色器：编写GLSL（OpenGL Shading Language）编写的着色器代码，分别处理顶点和像素的渲染逻辑。
初始化缓冲区：将顶点数据（如位置、颜色等）存储到WebGL的缓冲区中，供GPU使用。
绘制图形：调用WebGL的绘制命令（如drawArrays或drawElements），根据设置的着色器和缓冲区数据，在画布上绘制图形。

二、绘制立方体的准备

为了绘制一个立方体，我们需要定义其八个顶点的位置，并考虑如何通过这些顶点来构建六个面。在WebGL中，通常使用三角形来构建更复杂的图形，因为GPU对三角形的处理非常高效。一个立方体可以由12个三角形（每个面两个）组成，共需要24个顶点（但实际上，由于立方体结构的对称性，我们可以通过顶点索引复用，仅使用8个顶点加上适当的索引数组来绘制）。

2.1 顶点数据定义

首先，我们定义立方体的顶点位置。为了简化，假设立方体位于原点，边长为1，且每个面的法线方向分别指向或背离原点。

const vertices = new Float32Array([
    // 顶点位置，X, Y, Z
    -0.5, -0.5, -0.5,  // 0
     0.5, -0.5, -0.5,  // 1
     0.5,  0.5, -0.5,  // 2
    -0.5,  0.5, -0.5,  // 3
    -0.5, -0.5,  0.5,  // 4
     0.5, -0.5,  0.5,  // 5
     0.5,  0.5,  0.5,  // 6
    -0.5,  0.5,  0.5   // 7
]);
// 索引数组，定义顶点的连接顺序以形成三角形
const indices = new Uint16Array([
    // 每个数字代表vertices数组中的顶点索引
    // 前面
    0, 1, 2,
    0, 2, 3,
    // 后面
    4, 5, 6,
    4, 6, 7,
    // 顶部
    3, 2, 6,
    3, 6, 7,
    // 底部
    0, 1, 5,
    0, 5, 4,
    // 左面
    1, 5, 6,
    1, 6, 2,
    // 右面
    4, 0, 3,
    4, 3, 7
]);

2.2 着色器代码

接下来，我们需要编写顶点着色器和片元着色器。顶点着色器负责处理每个顶点的位置、颜色等数据，并可能执行变换（如平移、旋转、缩放）。片元着色器则负责为每个像素输出颜色。

// 顶点着色器
attribute vec3 a_position;
uniform mat4 u_modelViewMatrix;
uniform mat4 u_projectionMatrix;
void main() {
    gl_Position = u_projectionMatrix * u_modelViewMatrix * vec4(a_position, 1.0);
}
// 片元着色器
precision mediump float;
uniform vec4 u_color;
void main() {
    gl_FragColor = u_color;
}

三、WebGL实现步骤

3.1 初始化WebGL环境

const canvas = document.getElementById('webgl-canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl') || canvas.getContext('experimental-webgl');
if (!gl) {
    alert('Unable to initialize WebGL. Your browser may not support it.');
    return;
}

3.2 编译着色器与创建程序

加载并编译顶点着色器和片元着色器，链接它们到WebGL程序对象中。

3.3 设置顶点属性与缓冲区

创建缓冲区对象，将顶点数据（位置和索引）上传至GPU，并设置顶点属性指针。

3.4 矩阵变换与旋转

为了实现立方体的旋转，我们需要不断更新模型视图矩阵（Model-View Matrix），并通过WebGL的uniform变量传递给顶点着色器。这通常涉及到三维空间中的旋转矩阵计算，可以使用WebGL的矩阵库（如glMatrix.js）来辅助完成。

// 假设有一个函数rotateCube(angle)用于计算旋转矩阵并更新uniform
function rotateCube(angle) {
    // 计算旋转矩阵
    const modelViewMatrix = mat4.create();
    mat4.rotateY(modelViewMatrix, modelViewMatrix, angle);
    // 更新uniform
    gl.uniformMatrix4fv(u_modelViewMatrixLoc, false, modelViewMatrix);
}

3.5 渲染循环

设置动画循环，不断调用rotateCube函数更新旋转角度，并重新绘制立方体。

function animate() {
    requestAnimationFrame(animate);
    let angle = Date.now() * 0.001; // 旋转角度基于时间
    rotateCube(angle);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, indices.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
}
animate();

四、总结

通过本章节的学习，我们掌握了如何在WebGL中绘制一个旋转的立方体。这不仅仅是一个简单的图形渲染示例，更是对WebGL核心概念（如着色器编程、缓冲区管理、矩阵变换等）的一次深入实践。希望读者能够在此基础上，进一步探索WebGL的更多可能性，创作出更加丰富和复杂的三维图形与场景。