一起學 WebGL：繪制圖片

作者：前端西瓜哥 2023-05-16 07:44:03

開發前端

紋理映射會根據紋理圖像，將光柵化后的每個片元（像素點）設置對應顏色值。這些像素也稱為紋素（Texels, Texture Elements）。

大家好，我是前端西瓜哥。之前講解了如何用 WebGL 繪制紅色三角形，今天西瓜哥帶大家來學習如何將圖片繪制到畫布上的技術：紋理映射（texture mapping）。

紋理映射會根據紋理圖像，將光柵化后的每個片元（像素點）設置對應顏色值。這些像素也稱為紋素（texels, texture elements）。

紋理坐標

紋理圖像的坐標系統是二維的，為和世界坐標的 x、y 區分，WebGL 對應使用 s、t 來表示。

目前紋理坐標更常用的命名是 uv。因為歷史原因，WebGL 還是用的 st。

和世界坐標系類似，寬高使用的是一個比例值，即真實像素位置除以寬高后得到的比例。

著色器

const vertexShaderSrc = `
attribute vec4 a_Position;
attribute vec2 a_TexCoord;
varying vec2 v_TexCoord;
void main() {
 gl_Position = a_Position;
 v_TexCoord = a_TexCoord;
}
`;

const fragmentShaderSrc = `
precision highp float;
uniform sampler2D u_Sampler;
varying vec2 v_TexCoord;
void main() {
  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);
}
`;

相比繪制單色三角形，我們在頂點著色器加了 a_TexCoord，記錄頂點對應的紋理坐標，因為紋理坐標只有兩個維度，所以用的 vec2 屬性。

并命名一個 v_TexCoord 的 varying 變量，用于將 a_TexCoord 的值傳遞給片元著色器。

片元著色器，聲明了一個接收同名 v_TexCoord 變量接收傳過來的紋理坐標。

u_Sampler 是 sampler2D 類型，是一個二維紋理采樣器，指定著色器提取顏色的紋理對象。texture2D(u_Sampler, v_TexCoord) 表示從 u_Sampler 紋理采樣器中的某個位置中取出顏色。

傳入頂點數據

將頂點位置和紋理位置對應好，放在一個緩沖區中，并設置讀取規則。

先讀第一個點的位置，然后是第一個點對應的紋理坐標。然后第二個點...

// 頂點坐標，紋理坐標
const verticesTexCoords = new Float32Array([
  // 左上點。左邊兩個是頂點，右邊兩個是紋理
  -0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
  // 左下
  -0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
  // 右上
  0.5, 0.5, 1.0, 1.0,
  // 右下
  0.5, -0.5, 1.0, 0.0,
]);
const FSIZE = verticesTexCoords.BYTES_PER_ELEMENT;

// 創建緩存對象
const verticesTexBuffer = gl.createBuffer();
// 綁定緩存對象到上下文
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexBuffer);
// 向緩存區寫入數據
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexCoords, gl.STATIC_DRAW);

// 獲取 a_Position 變量地址
const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
// 將緩沖區對象分配給 a_Position 變量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, 0);
// 允許訪問緩存區
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

// 傳入紋理坐標位置信息
const a_TexCoord = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_TexCoord');
gl.vertexAttribPointer(a_TexCoord, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, FSIZE * 2);
gl.enableVertexAttribArray(a_TexCoord);

紋理對象與圖片綁定

/***** 紋理對象 *****/
const texture = gl.createTexture(); // 創建紋理對象
const u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler'); // 獲取 u_Sampler 地址

const img = new Image();
img.onload = () => {
  gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1); // 翻轉紋理圖像的 y 軸
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0); // 開啟 0 號紋理單元
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture); // 將我們的紋理對象綁定到 gl.TEXTURE_2D，類似綁定緩沖區對象

  // 配置紋理參數
  // 這里表示在 “繪制范圍小于紋理尺寸” 時，使用 “加權平均” 算法縮小
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  
  // 將紋理圖像分配給紋理對象
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, img);

  // 使用 0 號紋理單元
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

  /****** 繪制 ******/
  // 清空畫布，并指定顏色
  gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  // 繪制矩形，這里提供了 4 個點
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
};

img.src = './fe_watermelon.jpg';

創建紋理對象，然后在圖片加載完之后配置到紋理對象上。

WebGL 下有多個紋理紋理單元（比如 gl.TEXTURE0、gl.TEXTURE5 之類），至少有 8 個。這些單元可以保存多個我們創建好的紋理圖片，在需要的時候進行切換。

激活一個紋理單元：

gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);

激活后，我們用 gl.TEXTURE_2D 來訪問這個紋理圖像，進行紋理綁定和參數配置。

這里我們需要反轉紋理圖像的 y 軸線，因為圖片和紋理坐標系不一樣。我實在是蚌不住了。

gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1); // 翻轉紋理圖像的 y 軸

gl.texImage2D 用于將紋理圖像分配給紋理對象。

gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, img);

gl.RGB 表示紋素的格式為 RGB，此外還有 gl.RGBA、gl.LUMINANCE（流明）等。gl.UNSIGNED_BYTE 表示紋理的數據類型。

將紋理單元綁定到 u_Sampler 變量上。

gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

最后就是調用 el.drawArrays 方法進行繪制。

圖片的注意事項

關于圖片，有幾點需要注意。

首先是 圖片不要跨域，因為安全限制，Canvas 是不能將跨域的圖片繪制上去的，會報錯。

然后是 圖片的尺寸需要是 2 的冪次方，比如 16、32、64、128、256、512。

尺寸不對的圖片需要留白補全到 2 的冪次方，然后在設置紋理坐標時指定對應真正寬高比例。

完整源碼

/** @type {HTMLCanvasElement} */
const canvas = document.querySelector('canvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');

const vertexShaderSrc = `
attribute vec4 a_Position;
attribute vec2 a_TexCoord;
varying vec2 v_TexCoord;
void main() {
 gl_Position = a_Position;
 v_TexCoord = a_TexCoord;
}
`;

const fragmentShaderSrc = `
precision highp float;
uniform sampler2D u_Sampler;
varying vec2 v_TexCoord;
void main() {
  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TexCoord);
}
`;

/**** 渲染器生成處理 ****/
// 創建頂點渲染器
const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSrc);
gl.compileShader(vertexShader);
// 創建片元渲染器
const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSrc);
gl.compileShader(fragmentShader);
// 程序對象
const program = gl.createProgram();
gl.attachShader(program, vertexShader);
gl.attachShader(program, fragmentShader);
gl.linkProgram(program);
gl.useProgram(program);
gl.program = program;

// 頂點坐標，紋理坐標
const verticesTexCoords = new Float32Array([
  // 左上點。左邊兩個是頂點，右邊兩個是紋理
  -0.5, 0.5, 0.0, 1.0,
  // 左下
  -0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
  // 右上
  0.5, 0.5, 1.0, 1.0,
  // 右下
  0.5, -0.5, 1.0, 0.0,
]);
const FSIZE = verticesTexCoords.BYTES_PER_ELEMENT;

// 創建緩存對象
const verticesTexBuffer = gl.createBuffer();
// 綁定緩存對象到上下文
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexBuffer);
// 向緩存區寫入數據
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesTexCoords, gl.STATIC_DRAW);

// 獲取 a_Position 變量地址
const a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
// 將緩沖區對象分配給 a_Position 變量
gl.vertexAttribPointer(a_Position, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, 0);
// 允許訪問緩存區
gl.enableVertexAttribArray(a_Position);

// 傳入紋理坐標位置信息
const a_TexCoord = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_TexCoord');
gl.vertexAttribPointer(a_TexCoord, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, FSIZE * 2);
gl.enableVertexAttribArray(a_TexCoord);

/***** 紋理對象 *****/
const texture = gl.createTexture(); // 創建紋理對象
const u_Sampler = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Sampler'); // 獲取 u_Sampler 地址

// 記載圖片
const img = new Image();
img.onload = () => {
  gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1); // 翻轉紋理圖像的 y 軸
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0); // 開啟 0 號紋理單元
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture); // 將我們的材質對象綁定上去

  // 配置紋理參數
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
  // 配置紋理圖像
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, img);
 // 綁定 0 號紋理單元
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);

  /****** 繪制 ******/
  // 清空畫布，并指定顏色
  gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  // 繪制矩形，這里提供了 4 個點
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
};

img.src = './fe_watermelon.jpg';

繪制結果：

填充方式

補充一下設置圖片的幾種方式。

gl.texParameteri(target, pname, param);

上面表示，在 pname 場景下，使用 param 策略。比如

gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);

表示在 “繪制范圍小于紋理尺寸”（gl.TEXTURE_MIN_FILTER）場景下，使用 “加權平均”（gl.LINEAR）算法進行縮小。

參數 pname 有下面幾個幾個值可選擇：

gl.TEXTURE_MAG_FILTER：紋理放大。對應場景為紋理尺寸小于要繪制區域，需要將紋理放大。默認值為 gl.LINEAR
gl.TEXTURE_MIN_FILTER：紋理縮小。默認值為 gl.NEAREST_MIPMAP_LINEAR。
gl.TEXTURE_WRAP_S：紋理水平填充。默認為 gl.REPEAT。
gl.TEXTURE_WRAP_T：紋理垂直填充。默認為 gl.REPEAT。

參數 param 的一些可選值：

gl.LINEAR：使用 “加權平均” 縮放；
gl.NEAREST：使用 “曼哈頓距離” 縮放；
gl.REPEAT：重復平鋪；
gl.MIRRORED_REPEAT：鏡像重復平鋪：
gl.CLAMP_TO_EDGE：使用紋理圖像的邊緣進行延伸填充；

看個實例，將繪制區域設置為圖片的 2.5 倍，并設置填充方式。

// 頂點坐標，紋理坐標
const verticesTexCoords = new Float32Array([
  // 左上點。左邊兩個是頂點，右邊兩個是紋理
  -0.5, 0.5, 0.0, 2.5,
  // 左下
  -0.5, -0.5, 0.0, 0.0,
  // 右上
  0.5, 0.5, 2.5, 2.5,
  // 右下
  0.5, -0.5, 2.5, 0.0,
]);

// ...
// 配置紋理參數
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
// 邊緣像素平鋪
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);

得到了一個很有意思的結果：

責任編輯：姜華來源：前端西瓜哥

紋理映射 WebGL

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