WebGL: Išsamus 3D grafikos programavimo naršyklėje vadovas

WebGL (Web Graphics Library) yra JavaScript API, skirtas interaktyviai 2D ir 3D grafikai atvaizduoti bet kurioje suderinamoje žiniatinklio naršyklėje be papildinių. Jis pagrįstas OpenGL ES (Embedded Systems) – plačiai paplitusiu pramonės standartu, skirtu mobiliajai ir įterptajai grafikai, todėl tai yra galinga ir universali technologija, skirta vizualiai stulbinančiai žiniatinklio patirčiai kurti.

Kodėl verta naudoti WebGL?

WebGL siūlo keletą įtikinamų pranašumų kūrėjams, norintiems įtraukti 3D grafiką į savo žiniatinklio programas:

• Našumas: WebGL išnaudoja vartotojo grafikos apdorojimo įrenginį (GPU), suteikdamas didelių našumo pranašumų, palyginti su CPU pagrįstais atvaizdavimo metodais. Tai leidžia sklandžiai ir reaguojančiai 3D animacijai bei interaktyviai patirčiai net ir mažiau galinguose įrenginiuose.
• Prieinamumas: Būdamas naršyklės pagrindu sukurta technologija, WebGL pašalina poreikį vartotojams atsisiųsti ir įdiegti papildinius ar konkrečią programinę įrangą. Jis veikia tiesiogiai naršyklėje, todėl yra lengvai prieinamas pasaulinei auditorijai.
• Platformų suderinamumas: WebGL palaiko visos pagrindinės žiniatinklio naršyklės įvairiose operacinėse sistemose, įskaitant Windows, macOS, Linux, Android ir iOS. Tai užtikrina nuoseklią vartotojo patirtį nepriklausomai nuo įrenginio ar platformos.
• Integracija su žiniatinklio technologijomis: WebGL sklandžiai integruojasi su kitomis žiniatinklio technologijomis, tokiomis kaip HTML, CSS ir JavaScript, leisdamas kūrėjams kurti turtingas ir interaktyvias žiniatinklio programas.
• Atviras standartas: WebGL yra atviras standartas, sukurtas ir prižiūrimas Khronos Group, užtikrinantis jo nuolatinę evoliuciją ir suderinamumą.

Pagrindinės WebGL sąvokos

Norint kurti 3D grafikos programas, būtina suprasti pagrindines WebGL sąvokas. Štai keletas pagrindinių sąvokų:

1. Canvas elementas

WebGL atvaizdavimo pagrindas yra <canvas> HTML elementas. Canvas suteikia piešimo paviršių, kuriame WebGL atvaizduoja grafiką. Pirmiausia turite gauti WebGL atvaizdavimo kontekstą iš canvas:

const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');

if (!gl) {
  alert('Nepavyko inicializuoti WebGL. Jūsų naršyklė gali jo nepalaikyti.');
}

2. Šešėliai

Šešėliai yra mažos programos, parašytos GLSL (OpenGL Shading Language), kurios veikia tiesiogiai GPU. Jie yra atsakingi už 3D modelių transformavimą ir atvaizdavimą. Yra du pagrindiniai šešėlių tipai:

• Vertex Shaders: Šie šešėliai apdoroja 3D modelių viršūnes, transformuodami jų pozicijas ir apskaičiuodami kitus atributus, tokius kaip spalva ir normalės.
• Fragment Shaders: Šie šešėliai nustato kiekvieno ekrano pikselio (fragmento) spalvą. Jie naudoja viršūnių šešėlio išvestį ir kitus įėjimus, tokius kaip tekstūros ir apšvietimas, kad apskaičiuotų galutinę spalvą.

Paprasto viršūnių šešėlio pavyzdys:

attribute vec4 aVertexPosition;

uniform mat4 uModelViewMatrix;
uniform mat4 uProjectionMatrix;

void main() {
  gl_Position = uProjectionMatrix * uModelViewMatrix * aVertexPosition;
}

Paprasto fragmentų šešėlio pavyzdys:

precision mediump float;

void main() {
  gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Raudona spalva
}

3. Buferiai

Buferiai naudojami duomenims, kurie perduodami šešėliams, saugoti, pavyzdžiui, viršūnių pozicijoms, spalvoms ir normalėms. Duomenys įkeliami į GPU buferius, kad šešėliai galėtų greitai juos pasiekti.

const positionBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);

const positions = [
  1.0,  1.0,  0.0,
  -1.0,  1.0,  0.0,
  1.0, -1.0,  0.0,
  -1.0, -1.0,  0.0,
];

gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(positions), gl.STATIC_DRAW);

4. Tekstūros

Tekstūros yra vaizdai, kuriuos galima pritaikyti 3D modelių paviršiui, kad būtų pridėta detalių ir realizmo. Jie dažniausiai naudojami spalvoms, raštams ir paviršiaus savybėms atvaizduoti. Tekstūros gali būti įkeltos iš vaizdo failų arba sukurtos programiškai.

5. Uniformos ir atributai

• Atributai: Tai yra kintamieji, kurie perduodami viršūnių šešėliui kiekvienai viršūnei. Pavyzdžiai yra viršūnių pozicijos, spalvos ir normalės.
• Uniformos: Tai yra globalūs kintamieji, kurie yra vienodi visoms viršūnėms ir fragmentams vieno piešimo iškvietimo metu. Pavyzdžiai yra modelio-vaizdo-projekcijos matricos, apšvietimo parametrai ir tekstūros imtuvai.

6. Modelio-vaizdo-projekcijos (MVP) matrica

MVP matrica yra sudėtinė matrica, kuri transformuoja 3D modelį iš jo vietinės koordinačių erdvės į ekrano erdvę. Tai yra trijų matricų daugybos rezultatas:

• Modelio matrica: Transformuoja modelį iš jo vietinės koordinačių erdvės į pasaulio koordinačių erdvę.
• Vaizdo matrica: Transformuoja pasaulio koordinačių erdvę į kameros koordinačių erdvę.
• Projekcijos matrica: Transformuoja kameros koordinačių erdvę į ekrano erdvę.

WebGL konvejeris

WebGL atvaizdavimo konvejeris apibūdina veiksmus, susijusius su 3D grafikos atvaizdavimu:

1. Viršūnių duomenys: Konvejeris prasideda nuo viršūnių duomenų, kurie apibrėžia 3D modelio formą.
2. Viršūnių šešėlis: Viršūnių šešėlis apdoroja kiekvieną viršūnę, transformuodamas jos poziciją ir apskaičiuodamas kitus atributus.
3. Primitivių surinkimas: Viršūnės surenkamos į primityvus, tokius kaip trikampiai arba linijos.
4. Rasterizavimas: Primityvai rasterizuojami į fragmentus, kurie yra pikseliai, kurie bus nupiešti ekrane.
5. Fragmentų šešėlis: Fragmentų šešėlis nustato kiekvieno fragmento spalvą.
6. Maišymas ir gylio testavimas: Fragmentai sumaišomi su esamais ekrano pikseliais, o gylio testavimas atliekamas siekiant nustatyti, kurie fragmentai yra matomi.
7. Framebuferis: Galutinis vaizdas įrašomas į framebuferį, kuris yra atminties buferis, kuriame saugomas vaizdas, kuris bus rodomas ekrane.

WebGL aplinkos nustatymas

Norėdami pradėti kurti naudojant WebGL, jums reikės pagrindinio HTML failo su canvas elementu ir JavaScript failo, kuris tvarkytų WebGL kodą.

HTML (index.html):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <meta charset="utf-8">
  <title>WebGL Pavyzdys</title>
</head>
<body>
  <canvas id="glcanvas" width="640" height="480"></canvas>
  <script src="script.js"></script>
</body>
</html>

JavaScript (script.js):

const canvas = document.getElementById('glcanvas');
const gl = canvas.getContext('webgl');

if (!gl) {
  alert('Nepavyko inicializuoti WebGL. Jūsų naršyklė gali jo nepalaikyti.');
}

// Nustatykite skaidrią spalvą į juodą, visiškai nepermatomą
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// Išvalykite spalvų buferį nurodyta skaidria spalva
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);

Praktinis WebGL pritaikymas

WebGL naudojamas įvairiose programose, įskaitant:

• 3D žaidimai: WebGL leidžia kurti įtraukiančius 3D žaidimus, kuriuos galima žaisti tiesiogiai naršyklėje. Pavyzdžiai yra naršyklės pagrindu sukurti kelių žaidėjų žaidimai, modeliavimo programos ir interaktyvi patirtis. Daugelis žaidimų kūrėjų naudoja tokius karkasus kaip Three.js arba Babylon.js, kad supaprastintų WebGL kūrimą.
• Duomenų vizualizavimas: WebGL gali būti naudojamas interaktyviems 3D duomenų vizualizacijoms kurti, leidžiant vartotojams intuityviau tyrinėti sudėtingus duomenų rinkinius. Tai ypač naudinga tokiose srityse kaip moksliniai tyrimai, finansai ir urbanistinis planavimas.
• Interaktyvios produktų demonstracijos: Įmonės gali naudoti WebGL interaktyvioms 3D produktų demonstracijoms kurti, leidžiančioms klientams tyrinėti produktus iš visų pusių ir pritaikyti jų funkcijas. Tai pagerina vartotojo patirtį ir padidina įsitraukimą. Pavyzdžiui, baldų pardavėjai gali leisti klientams virtualiai patalpinti baldus savo namuose naudojant WebGL.
• Virtuali ir papildyta realybė: WebGL yra pagrindinė technologija, skirta kurti žiniatinklio pagrindu sukurtą VR ir AR patirtį. Tai leidžia kūrėjams kurti įtraukiančias aplinkas, kurias galima pasiekti per VR ausines arba AR palaikančius įrenginius.
• Žemėlapių sudarymas ir GIS: WebGL leidžia atvaizduoti išsamius 3D žemėlapius ir geografines informacines sistemas (GIS) naršyklėje. Tai leidžia interaktyviai tyrinėti geografinius duomenis ir kurti įtikinamas žemėlapių pagrindu sukurtas programas. Pavyzdžiai yra reljefo, pastatų ir infrastruktūros vizualizavimas 3D formatu.
• Švietimas ir mokymas: WebGL gali būti naudojamas interaktyviems 3D modeliams kurti švietimo tikslais, leidžiant studentams patraukliau tyrinėti sudėtingas sąvokas. Pavyzdžiui, medicinos studentai gali naudoti WebGL, kad ištirtų žmogaus kūno anatomiją 3D formatu.

WebGL karkasai ir bibliotekos

Nors galima rašyti WebGL kodą nuo nulio, tai gali būti gana sudėtinga. Keletas karkasų ir bibliotekų supaprastina kūrimo procesą ir suteikia aukštesnio lygio abstrakcijas. Kai kurios populiarios parinktys yra:

• Three.js: JavaScript biblioteka, kuri palengvina 3D grafikos kūrimą naršyklėje. Ji suteikia aukšto lygio API scenoms, modeliams, medžiagoms ir apšvietimui kurti. Three.js yra plačiai naudojama dėl paprasto naudojimo ir išsamių funkcijų.
• Babylon.js: Kitas populiarus JavaScript karkasas, skirtas kurti 3D žaidimus ir interaktyvią patirtį. Ji siūlo tokias funkcijas kaip fizikos varikliai, pažangios šešėliavimo technikos ir VR/AR palaikymas.
• PixiJS: 2D atvaizdavimo biblioteka, kuri gali būti naudojama interaktyviai grafikai ir animacijai kurti. Nors ji daugiausia skirta 2D, ją taip pat galima naudoti kartu su WebGL konkrečioms užduotims atlikti.
• GLBoost: Naujos kartos JavaScript karkasas, skirtas WebGL atvaizdavimui, sukurtas pažangiai grafikai ir sudėtingoms scenoms.

Geriausia WebGL kūrimo praktika

Norėdami užtikrinti optimalų našumą ir prižiūrimumą, kurdami naudodami WebGL apsvarstykite šias geriausias praktikas:

• Optimizuokite šešėlius: Šešėliai yra esminė WebGL konvejerio dalis, todėl svarbu juos optimizuoti, kad būtų pasiektas didelis našumas. Sumažinkite šešėlyje atliekamų skaičiavimų skaičių ir naudokite efektyvius duomenų tipus.
• Sumažinkite piešimo iškvietimus: Kiekvienas piešimo iškvietimas reikalauja viršutinės ribos, todėl svarbu sumažinti piešimo iškvietimų skaičių. Sujunkite objektus į vieną piešimo iškvietimą, kai tik įmanoma.
• Naudokite tekstūros atlasus: Tekstūros atlasuose sujungiamos kelios tekstūros į vieną vaizdą, sumažinant tekstūros perjungimų skaičių ir pagerinant našumą.
• Suglaudinkite tekstūras: Suglaudintos tekstūros sumažina atminties kiekį, reikalingą tekstūroms saugoti, ir pagreitina įkėlimo laiką. Naudokite tokius formatus kaip DXT arba ETC suglaudintoms tekstūroms.
• Naudokite instancijavimą: Instancijavimas leidžia atvaizduoti kelias to paties objekto kopijas su skirtingomis transformacijomis naudojant vieną piešimo iškvietimą. Tai naudinga atvaizduojant didelį skaičių panašių objektų, pavyzdžiui, medžių miške.
• Profilis ir derinimas: Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius arba WebGL profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte našumo kliūtis ir derintumėte problemas.
• Valdykite atmintį: WebGL atminties valdymas yra labai svarbus. Įsitikinkite, kad išleidžiate išteklius (buferius, tekstūras, šešėlius), kai jų nebereikia, kad išvengtumėte atminties nutekėjimo.

Pažangios WebGL technikos

Kai gerai suprasite pagrindus, galėsite ištirti pažangesnes WebGL technikas, tokias kaip:

• Apšvietimas ir šešėliavimas: Įdiekite tikroviškus apšvietimo ir šešėliavimo efektus naudodami tokias technikas kaip Phong šešėliavimas, Blinn-Phong šešėliavimas ir fiziškai pagrįstas atvaizdavimas (PBR).
• Šešėlių žemėlapių sudarymas: Sukurkite tikroviškus šešėlius atvaizduodami sceną iš šviesos perspektyvos ir saugodami gylio reikšmes šešėlių žemėlapyje.
• Apdorojimo efektai: Pritaikykite apdorojimo efektus atvaizduotam vaizdui, pvz., suliejimą, žydėjimą ir spalvų korekciją, kad pagerintumėte vaizdo kokybę.
• Geometrijos šešėliai: Naudokite geometrijos šešėlius, kad dinamiškai generuotumėte naują geometriją GPU.
• Skaičiavimo šešėliai: Naudokite skaičiavimo šešėlius bendrosios paskirties skaičiavimams GPU, pvz., dalelių modeliavimas ir vaizdo apdorojimas.

WebGL ateitis

WebGL toliau tobulėja, o nuolatinis kūrimas orientuotas į našumo gerinimą, naujų funkcijų pridėjimą ir suderinamumo su kitomis žiniatinklio technologijomis gerinimą. Khronos Group aktyviai dirba kuriant naujas WebGL versijas, tokias kaip WebGL 2.0, kuri į žiniatinklį perkelia daugybę funkcijų iš OpenGL ES 3.0, o ateities iteracijos tikriausiai apims dar pažangesnes atvaizdavimo galimybes.

Išvada

WebGL yra galinga technologija, skirta interaktyviai 2D ir 3D grafikai kurti naršyklėje. Dėl savo našumo, prieinamumo ir suderinamumo su keliomis platformomis jis yra idealus pasirinkimas įvairioms programoms, nuo žaidimų ir duomenų vizualizavimo iki produktų demonstracijų ir virtualios realybės patirties. Suprasdami pagrindines WebGL kūrimo sąvokas ir geriausią praktiką, galite sukurti vizualiai stulbinančią ir patrauklią žiniatinklio patirtį, kuri peržengia tai, kas įmanoma naršyklėje. Priimkite mokymosi kreivę ir tyrinėkite gyvybingą bendruomenę; galimybės yra didžiulės.