鸿蒙开发基础 —— UI开发：使用WebGL绘制图形

最新推荐文章于 2025-05-26 21:57:28 发布

广西烧鸡

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分类专栏： HarmonyOS 鸿蒙开发移动开发文章标签： harmonyos ui webgl 鸿蒙开发移动开发 ArkUI

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场景介绍

WebGL的全称为Web Graphic Library（网页图形库），主要用于交互式渲染2D图形。目前HarmonyOS中使用的WebGL是基于OpenGL裁剪的OpenGL ES，可以在HTML5的Canvas元素对象中使用，无需使用插件，支持跨平台。WebGL程序是由JavaScript代码组成的，其中使用的API可以利用用户设备提供的GPU硬件完成图形渲染和加速。

说明
目前该功能仅支持使用兼容JS的类Web开发范式开发。

基本概念

着色器程序

将缓冲区中的数据推送到着色器中还需涉及“着色器程序”，一个负责关联着色器和缓冲区的JavaScript对象。一个WebGLProgram对象由两个编译过后的 WebGLShader组成，即顶点着色器和片元着色器（均由GLSL语言所写）。

着色器

着色器可以理解为运行在显卡中的指令和数据。在WebGL中，着色器是用OpenGL ES着色语言（GLSL）编写的。

完整的着色器包括顶点着色器和片元着色器。顶点着色器和片元着色器的交互则涉及到图片光栅化。

顶点着色器：最基本的任务是接收三维空间中点的坐标，将其处理为二维空间中的坐标并输出。
片元着色器：最基本的任务是对需要处理的屏幕上的每个像素输出一个颜色值。

图片光栅化

将顶点着色器输出的二维空间中的点坐标，转化为需要处理的像素并传递给片元着色器的过程。

帧缓冲对象

帧缓冲区对象为绘图缓冲区提供替代呈现目标。它们是颜色、字母、深度和模板缓冲区的集合，通常用于渲染图像。

纹理

纹理是一种图像，可以应用到3D模型的表面上。WebGL中的纹理有许多属性，包括宽度、高度、格式和类型。在使用纹理时，需要将其加载到WebGL中，并将其绑定到一个纹理单元上。

变量与接口说明

变量类型

类型	对应Web IDL类型	描述
GLenum	unsigned long	用于枚举。
GLboolean	boolean	纹理true或者false。
GLbitfield	unsigned long	无符号整数，可以包含多个位标志。每个位标志都代表一个特定的选项。
GLbyte	byte	纹理八位（一个字节），2的补码表示的有符号整数。
GLshort	short	16位2的补码表示的有符号整数。
GLint	long	32位2的补码表示的有符号整数。
GLsizei	long	用来描述尺寸（例如：绘画缓冲drawing buffer 的宽和高）。
GLintptr	long long	用来表示指针的特殊类型，通常用于指定缓冲区对象的偏移量。
GLsizeiptr	long long	用来表示指针的特殊类型，通常用于指定缓冲区对象的大小。
GLubyte	octet	八位（一个字节）2的补码表示的无符号整数。
GLushort	unsigned short	16位2的补码表示的无符号整数。
GLuint	unsigned short	32位2的补码表示的有符号整数。
GLfloat	unrestricted float	32位的IEEE标准的浮点数。
GLclampf	unrestricted float	限值32位IEEE浮点数。

接口说明

接口名	描述
canvas.getContext	获取canvas对象上下文。
webgl.createBuffer(): WebGLBuffer	null 创建与初始化WebGL数据缓冲区。
webgl.bindBuffer(target: GLenum, buffer: WebGLBuffer null): void	将WebGL数据缓冲区与目标进行绑定。
webgl.bufferData(target: GLenum, srcData: ArrayBufferView, usage: GLenum, srcOffset: GLuint, length?: GLuint): void	创建并初始化WebGL的数据存储区。
webgl.getAttribLocation(program: WebGLProgram, name: string): GLint	从给定WebGL着色程序中获取着色器中attribute变量的地址。
webgl.vertexAttribPointer(index GLuint, size: GLint, type: GLenum, normalized: GLboolean, stride: GLsizei, offset: GLintptr): void	将缓冲区对象分配给变量。
webgl.enableVertexAttribArray(index: GLuint): void	连接变量与分配给它的缓冲区对象。
webgl.clearColor(red: GLclampf, green:GLclampf, blue: GLclampf, alpha: GLclampf): void	清空指定的颜色。
webgl.clear(mask: GLbitfield): void	清空。
webgl.drawArrays(mode: GLenum, first:;GLint, count: GLsizei): void	执行数据绘制。
webgl.flush(): void	刷新数据至GPU，清空缓冲区。
webgl.createProgram(): WebGLProgram null	创建着色器程序对象。

开发步骤

如下以实现一个彩色正方形为例，来演示使用WebGL绘制2D图形的过程。

使用WebGL进行3D渲染前，首先需要一个Canvas元素。以下示例创建了一个Canvas元素并设置一个onclick事件处理程序来初始化WebGL上下文。

 <div class="container">
     <canvas ref="canvas1" style="width : 400px; height : 400px; background-color : lightyellow;"></canvas>
     <button class="btn-button" onclick="BtnColorTriangle">BtnColorTriangle</button>
 </div>

设置WebGL的上下文。
- JavaScript 代码中的 main() 函数将会在文档加载完成之后被调用。它的任务是设置WebGL上下文并开始渲染内容。
- 当获取到canvas之后，会调用getContext函数并向它传递 “webgl” 参数，来尝试获取WebGLRenderingContext。如果浏览器不支持WebGL， getContext将会返回null，如果WebGL上下文成功初始化，变量’gl’会用来引用该上下文。

function main() {
  const canvas = document.querySelector("#glcanvas");
  // 初始化WebGL上下文
  const gl = canvas.getContext("webgl");

  // 确认WebGL支持性
  if (!gl) {
    alert("你的浏览器、操作系统或硬件等可能不支持WebGL。");
    return;
  }
  // 使用完全不透明的黑色清除所有图像
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
  // 用上面指定的颜色清除缓冲区
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
}

定义顶点着色器。
顶点着色器需要对顶点坐标进行必要的转换，在每个顶点基础上进行其他调整或计算，然后通过将其保存在由GLSL提供的特殊变量中来返回变换后的顶点。
在矩阵计算之前需要先引入gl-matrix开源工具库，可以从 gl-matrix官网下载，也可以使用npm命令下载：

npm install gl-matrix

// 引入mat4
import { mat4 } from 'gl-matrix'
const vsSource = `
    attribute vec4 aVertexPosition;
    uniform mat4 uModelViewMatrix;
    uniform mat4 uProjectionMatrix;
    void main() {
      gl_Position = uProjectionMatrix * uModelViewMatrix * aVertexPosition;
    }
  `;

定义片段着色器。
片段着色器在顶点着色器处理完图形的顶点后，会被要绘制的每个图形的每个像素点调用一次。

const fsSource = `
    void main() {
      gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
    }
 `;

将着色器传递给WebGL。
定义顶点着色器与片段着色器之后，需要将它们传递给WebGL，并将其编译连接在一起。
如下代码通过调用 loadShader()，为着色器传递类型和来源。创建了两个着色器。然后创建一个附加着色器的程序，将它们连接在一起。如果编译或链接失败，代码将弹出alert。

// 初始化着色器程序，让WebGL知道如何绘制数据
function initShaderProgram(gl, vsSource, fsSource) {
  const vertexShader = loadShader(gl, gl.VERTEX_SHADER, vsSource);
  const fragmentShader = loadShader(gl, gl.FRAGMENT_SHADER, fsSource);
  // 创建着色器程序
  const shaderProgram = gl.createProgram();
  gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
  gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
  gl.linkProgram(shaderProgram);
  // 如果创建失败，将会弹出alert
  if (!gl.getProgramParameter(shaderProgram, gl.LINK_STATUS)) {
    alert(
      "无法初始化着色器程序: " +
     gl.getProgramInfoLog(shaderProgram),
    );
    return null;
  }
  return shaderProgram;
}
// 创建指定类型的着色器，上传source源码并编译
function loadShader(gl, type, source) {
  const shader = gl.createShader(type);
  // 将资源发送到着色器对象
  gl.shaderSource(shader, source);
  // 编译着色器程序
  gl.compileShader(shader);
  // 查看是否编译成功
  if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
    alert(
   "编译着色器时出错：" + gl.getShaderInfoLog(shader),
    );
    gl.deleteShader(shader);
    return null;
  }
  return shader;
}

查找WebGL返回分配的输入位置。
- 在创建着色器程序之后，需要查找WebGL返回分配的输入位置。上述有一个属性和两个Uniform。
- 属性从缓冲区接收值。顶点着色器的每次迭代都从分配给该属性的缓冲区接收下一个值。
- Uniform类似于JavaScript全局变量。它们在着色器的所有迭代中保持相同的值。由于属性的位置是特定于单个着色器程序的，因此将它们存储在一起以易于传递。

const programInfo = {
  program: shaderProgram,
  attribLocations: {
    vertexPosition: gl.getAttribLocation(shaderProgram, "aVertexPosition"),
  },
  uniformLocations: {
    projectionMatrix: gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uProjectionMatrix"),
    modelViewMatrix: gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uModelViewMatrix"),
  },
};

创建缓冲器对象。
- 在画正方形前，需要创建一个缓冲器来存储它的顶点。
- 首先调用gl的成员函数createBuffer()得到缓冲对象并存储在顶点缓冲器。然后调用 bindBuffer() 函数绑定上下文。
- 创建一个Javascript数组去记录每一个正方体的每一个顶点。然后将其转化为WebGL浮点型类型的数组，并将其传到gl对象的bufferData()方法来建立对象的顶点。

function initBuffers(gl) {
  const positionBuffer = initPositionBuffer(gl);
  return {
    position: positionBuffer,
  };
}
function initPositionBuffer(gl) {
  // 为正方形的位置创建一个缓冲区。
  const positionBuffer = gl.createBuffer();
  // 选择positionBuffer作为应用缓冲区的位置。
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
  // 创建一个正方形的位置数组。
  const positions = [1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0];
  //将位置列表传递给WebGL以构建形状。
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW);
  return positionBuffer;
}
export { initBuffers };

渲染场景。
- 用背景色擦除画布，然后建立摄像机透视矩阵。设置45度的视图角度，并且设置一个适合实际图像的宽高比。指定在摄像机距离0.1到100单位长度的范围内的物体可见。
- 加载特定位置，并把正方形放在距离摄像机6个单位的位置。然后，绑定正方形的顶点缓冲到上下文，并配置好，再通过调用drawArrays()方法来画出对象。

function drawScene(gl, programInfo, buffers) {
  gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); 
  gl.clearDepth(1.0); // 清除所有内容。
  gl.depthFunc(gl.LEQUAL); 
  // 清除画布。
   gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
  //创建透视矩阵用于模拟相机中的透视变形。
  const fieldOfView = (45 * Math.PI) / 180; 
  const aspect = gl.canvas.clientWidth / gl.canvas.clientHeight;
  const zNear = 0.1;
  const zFar = 100.0;
  const projectionMatrix = mat4.create();
  mat4.perspective(projectionMatrix, fieldOfView, aspect, zNear, zFar);
  // 将绘制位置设置为标识点，即场景的中心。
  const modelViewMatrix = mat4.create();
  // 开始绘制正方形。
  mat4.translate(
    modelViewMatrix, // 目标矩阵
    modelViewMatrix, // 要转换的矩阵
    [-0.0, 0.0, -6.0],
  ); 
  {
    const numComponents = 2; 
    const type = gl.FLOAT; 
    const normalize = false; 
    const stride = 0; // 从一组值到下一组值需要多少字节
    const offset = 0; 
    gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffers.position);
    gl.vertexAttribPointer(
      programInfo.attribLocations.vertexPosition,
      numComponents,
      type,
      normalize,
      stride,
      offset,
    );
    gl.enableVertexAttribArray(programInfo.attribLocations.vertexPosition);
  }
  gl.useProgram(programInfo.program);
  gl.uniformMatrix4fv(
    programInfo.uniformLocations.projectionMatrix,
    false,
    projectionMatrix,
  );
  gl.uniformMatrix4fv(
    programInfo.uniformLocations.modelViewMatrix,
    false,
    modelViewMatrix,
  );
  {
    const offset = 0;
    const vertexCount = 4;
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, offset, vertexCount);
  }
}
// 告诉WebGL如何从位置中拉出位置缓冲到vertexPosition属性中。
function setPositionAttribute(gl, buffers, programInfo) {
  const numComponents = 2; 
  const type = gl.FLOAT; 
  const normalize = false;  
  const stride = 0; // 从一组值到下一组值需要多少字节
  const offset = 0;
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffers.position);
  gl.vertexAttribPointer(
    programInfo.attribLocations.vertexPosition,
    numComponents,
    type,
    normalize,
    stride,
    offset,
  );
  gl.enableVertexAttribArray(programInfo.attribLocations.vertexPosition);
}
export { drawScene };

最终实现效果示意如下：