WebGL编程指南

使用WebGL，你可以在浏览器中，不依赖任何插件创建出精美的可交互三维图形。WebGL技术使得创建新一代3D网页游戏、用户界面、数据可视化方案成为可能，这些程序能够运行任何支持标准浏览器的PC、智能手机、平板电脑、家用游戏机或其他设备上。《WebGL编程指南》将会帮助你快速入门学习可交互的WebGL 3D编程，即使你还不了解HTML5、JavaScript、三维图形学理论、数学基础和OpenGL也没有关系。
　　你将会一步一步地学习真实的示例程序。随着示例程序从简单变复杂，你也将逐渐掌握使用WebGL开发虚拟逼真的网页和三维图形的技能。多媒体、三维图形学和WebGL领域的先驱者Kouichi Matsuda博士和Rodger Lea博士在这本书中提供了易于上手、重点清晰的WebGL教程，以及共计100个可下载的示例程序，每个程序都讨论了一个具体的WebGL话题。
　　你将从最基本的技术比如渲染、动画、为三角形贴上纹理开始，一路学习到高级的WebGL技术，比如雾化、阴影、切换着色器、显示由Blender等建模工具创建的三维模型。这本书并不仅仅向你传授的实践方法，同时也会向你提供一个小型的代码库，方便你在学习完本书后，开始编写自己的程序。
　　本书的内容包括：
　　√ WebGL的起源、核心概念、特性、优势以及与其他Web标准的结合；
　　√ canvas和基本的WebGL函数如何协作以显示三维图形；
　　√ 使用OpenGL ES着色器语言（GLSL ES）编写着色器代码；
　　√ 三维场景渲染：表示用户视野、控制可视空间、裁剪、三维对象创建、透视；
　　√ 通过光照和层次结构模型产生更真实的效果；
　　√ 高级技巧：对象操作，HUD、混合、着色器切换等等；
　　√ 极具价值的附录，涵盖了从坐标系统到矩阵、从着色器加载到浏览器设置等诸多关键知识点。
　　

海报：

　　WebGL是一项在网页上渲染三维图形的技术，也是HTML5草案的一部分。
　　《WebGL编程指南》的主要篇幅讲解了WebGL原生API和三维图形学的基础知识，包括渲染管线、着色器、矩阵变换、着色器编程语言（GLSLES）等等，也讲解了使用WebGL渲染三维场景的一般技巧，如光照、阴影、雾化等等。《WebGL编程指南》提供了丰富的示例程序供读者钻研，也提供了极具价值的附录供读者参考。
　　《WebGL编程指南》适合有一定前端开发基础，希望学习WebGL，但对三维图形学缺乏了解的程序员们阅读。

　　Kouichi Matsuda，博士是多媒体产品用户界面和用户体验设计方面的专家。他先后供职于日本电气(NEC)、索尼(Sony) 研发中心、索尼(Sony) 计算机科学实验室，曾经做过产品研发，也做过科学研究，最终回到产品研发的岗位。目前，他是用户体验和人机交互领域的首席研究员，负责多款消费类电子产品的设计。他曾经设计了社交三维虚拟世界“PAW”，也曾经参与过VRML97(ISO/IEC 14772-1:1997) 标准的开发工作，在VRML和X3D(WebGL 的前身) 社区中仍然非常活跃。他撰写过15 本计算机技术的书籍，并翻译过25 本相关书籍。他专长于用户体验、用户界面、人机交互、自然语言处理和面向娱乐的网络设备，以及接口代理系统等领域。他不仅对技术领域的新鲜事物充满热情，还热衷于温泉、夏季的海滩、红酒和漫画（为此他已经沉迷于绘制插画一段时间了）。他在东京大学工程系获得了博士学位。

　　Rodger Lea，博士是卑诗大学媒体与图像跨学科中心的兼职教授，对多媒体和分布式计算等领域很感兴趣。他和他带领的研究小组在学术和工业领域耕耘超过20 年，参与制定了VRML97 标准，开发了多媒体操作系统、可交互数字电视原型，并领导了家用多媒体网络标准的制定工作。他发表了60 多篇学术论文，著有3 本技术书籍，并拥有12 项专利。目前，他的研究集中在探索发展中的互联网，但他仍然对有关多媒体和图形学的一切抱有热情。

　　关于译者：

　　谢光磊，毕业于南京大学，目前为中科院在读硕士，即将成为淘宝UED 的一名前端工程师。因一次偶然的机会接触WebGL 而对其萌生兴趣，并愿意持久深入地研究这项技术。

　　“WebGL 提供了用以在浏览器中创建‘具有桌面应用体验’的应用的最终特性，而《WebGL 编程指南》将教会你如何创建这些应用。这本书涵盖了使用WebGL 的方方面面——JavaScript、OpenGL ES，以及基础的图形学技术——如果你想上手WebGL，这本书里有你需要的一切。Web 应用是未来的趋势，这本书将让你走在潮流的前端！”
　　——Dave Shreiner
　　《OpenGL 编程指南》( 第8 版) 的作者，Addison Wesley 出版社OpenGL 系列丛书编辑

　　“HTML5 使Web 成为了高度可用的应用平台，使精致优美的Web 应用能够运行在多种不同的系统中。WebGL 是HTML5 的一个重要组成部分，它允许Web 开发者充分利用硬件的性能渲染三维图形。WebGL 被设计出来的目的就是为了安全地运行在任何支持Web 的系统中，这项技术将在三维Web 内容和应用、用户界面等领域引发新一轮的技术
　　革命。这本书将帮助Web 开发者完全理解WebGL 技术的功能，并牢牢抓住这项技术带来的机遇。”
　　——Neil Trevett
　　NVIDIA 移动部门副总裁，Khronos 小组主席

　　“通过优美的三维渲染和清晰的讲解，这本书将WebGL 这样一个复杂晦涩的问题变得亲切有趣。不可否认的是，WebGL 确实非常复杂，但这本书已经足够畅达，初学者应该毫不犹豫地利用它开始学习。”
　　——Evan Burchard
　　Web Game Developer's Cookbook (Addison Wesley) 的作者

　　“本书的两位作者都具有深厚的OpenGL 背景，并将此背景恰到好处地用在了WebGL 上，写出了这本优秀的，即适合新手也适合老鸟的教材。”
　　——Daniel Heahn
　　波士顿儿童医院的软件工程师

　　“《WebGL 编程指南》以一种即直接又通俗易懂的方式，讲解了如何不依赖笨重的函数库或插件来构建三维应用。对希望了解最前沿的三维Web 开发领域的工程师来说，这是一本不可多得的好书。”
　　——Brandon Jones
　　Google 的软件工程师

　　“这是一部出自杰出科学家之手的伟大作品。Kouichi Matsuda 清晰简洁地向初学者指明了理解WebGL 所需经历的道路。这是一个复杂的话题，使得每一个刚开始使用这项新技术的人都能够理解。这本书包括了很多三维的基本概念，以帮助读者理解后面的知识。对任何一个web 开发者来说，这本书都值得收藏。”
　　——Chris Marrin
　　WebGL Spec 编辑

　　“学习《WebGL 编程指南》是从WebGL 菜鸟到WebGL 专家的很好途径。WebGL 虽然概念上很简单，但真正使用它需要大量3D 数学知识，《WebGL 编程指南》系统地帮你总结了这些知识，你只需要好好理解它们并运用到实际开发中去。即使你最后还是选择使用WebGL 3D 库，《WebGL 编程指南》里学到的知识也会帮助你理解那些库究竟在做些什么，并允许你将它们进行改造，以适应你的应用的特殊要求。真见鬼，你最终还是坚持使用OpenGL 和/ 或DirectX 编写桌面程序？即使这样，《WebGL 编程指南》也是一本不错的入门书，因为市面上大多关于3D 的书籍，与目前的3D 技术相比都已经过时了。总之，《WebGL 编程指南》将帮助你完整理解关于现代3D 图形学的基础知识。”
　　——Gregg Tavares
　　Google 的软件工程师，Chrome 浏览器WebGL 系统的实现者

第1 章 WebGL 概述
WebGL 的优势
使用文本编辑器开发三维应用
轻松发布三维图形程序
充分利用浏览器的功能
学习和使用WebGL 很简单
WebGL 的起源
WebGL 程序的结构
总结
第2 章 WebGL 入门
Canvas 是什么？
使用＜canvas＞ 标签
DrawRectangle．js
最短的WebGL 程序：清空绘图区
HTML 文件（HelloCanvas．html）
JavaScript 程序（HelloCanvas．js）
用示例程序做实验
绘制一个点（版本1）
HelloPoint1．html
HelloPoint1．js
着色器是什么？
使用着色器的WebGL 程序的结构
初始化着色器
顶点着色器
片元着色器
绘制操作
WebGL 坐标系统
用示例程序做实验
绘制一个点（版本2）
使用attribute 变量
示例程序（HelloPoint2．js）
获取attribute 变量的存储位置
向attribute 变量赋值
gl．vertexAttrib3f() 的同族函数
用示例程序做实验
通过鼠标点击绘点
示例程序（ClickedPoints．js）
注册事件响应函数
响应鼠标点击事件
用示例程序做实验
改变点的颜色
示例程序（ColoredPoints．js）
uniform 变量
获取uniform 变量的存储地址
向uniform 变量赋值
gl．uniform4f() 的同族函数
总结
第3 章 绘制和变换三角形
绘制多个点
示例程序（MultiPoint．js）
使用缓冲区对象
创建缓冲区对象（gl．createBuffer()）
绑定缓冲区（gl．bindBuffer()）
向缓冲区对象中写入数据（gl．bufferData()）
类型化数组
将缓冲区对象分配给attribute 变量（gl．vertexAttribPointer()）
开启attribute 变量（gl．enableVertexAttribArray()）
gl．drawArrays() 的第2 个和第3 个参数
用示例程序做实验
Hello Triangle
示例程序（HelloTriangle．js）
基本图形
用示例程序做实验
Hello Rectangle（HelloQuad）
用示例程序做实验
移动、旋转和缩放
平移
示例程序（TranslatedTriangle．js）
旋转
示例程序（RotatedTriangle．js）
变换矩阵：旋转
变换矩阵：平移
4×4 的旋转矩阵
示例程序（RotatedTriangle_Matrix．js）
平移：相同的策略
变换矩阵：缩放
总结
第4 章 高级变换与动画基础
平移，然后旋转
矩阵变换库：cuon-matrix．js
示例程序（RotatedTriangle_Matrix4．js）
复合变换
示例程序（RotatedTranslatedTriangle．js）
用示例程序做实验
动画
动画基础
示例程序（RotatingTriangle．js）
反复调用绘制函数（tick()）
按照指定的旋转角度绘制三角形（draw()）
请求再次被调用（requestAnimationFrame()）
更新旋转角（animate()）
用示例程序做实验
总结
第5 章 颜色与纹理
将非坐标数据传入顶点着色器
示例程序（MultiAttributeSize．js）
创建多个缓冲区对象
gl．vertexAttribPointer() 的步进和偏移参数
示例程序（MultiAttributeSize_Interleaved．js）
修改颜色（varying 变量）
示例程序（MultiAttributeColor．js）
用示例程序做实验
彩色三角形（ColoredTriangle．js）
几何形状的装配和光栅化
调用片元着色器
用示例程序做实验
varying 变量的作用和内插过程
在矩形表面贴上图像
纹理坐标
将纹理图像粘贴到几何图形上
示例程序（TexturedQuad．js）
设置纹理坐标（initVertexBuffers()）
配置和加载纹理（initTextures()）
为WebGL 配置纹理（loadTexture()）
图像Y 轴反转
激活纹理单元（gl．activeTexture()）
绑定纹理对象（gl．bindTexture()）
配置纹理对象的参数（gl．texParameteri()）
将纹理图像分配给纹理对象（gl．texImage2D()）
将纹理单元传递给片元着色器（gl．uniform1i()）
从顶点着色器向片元着色器传输纹理坐标
在片元着色器中获取纹理像素颜色（texture2D()）
用示例程序做试验
使用多幅纹理
示例程序（MultiTexture．js）
总结
第6 章 OpenGL ES 着色器语言（GLSL ES）
回顾：基本着色器代码
GLSL ES 概述
你好，着色器！
基础
执行次序
注释
数据值类型（数值和布尔值）
变量
GLSL ES 是强类型语言
基本类型
赋值和类型转换
运算符
矢量和矩阵
赋值和构造
访问元素
运算符
结构体
赋值和构造
访问成员
运算符
数组
取样器（纹理）
运算符优先级
程序流程控制：分支和循环
if 语句和if-else 语句
for 语句
continue、break 和discard 语句
函数
规范声明
参数限定词
内置函数
全局变量和局部变量
存储限定字
const 变量
Attribute 变量
uniform 变量
varying 变量
精度限定字
预处理指令
总结
第7 章 进入三维世界
立方体由三角形构成
视点和视线
视点、观察目标点和上方向
示例程序（LookAtTriangles．js）
LookAtTriangles．js 与RotatedTriangle_Matrix4．js
从指定视点观察旋转后的三角形
示例程序（LookAtRotatedTriangles．js）
用示例程序做实验
利用键盘改变视点
示例程序（LookAtTrianglesWithKeys．js）
独缺一角
可视范围（正射类型）
可视空间
定义盒状可视空间
示例程序（OrthoView．html）
示例程序（OrthoView．js）
JavaScript 修改HTML 元素
顶点着色器的执行流程
修改near 和far 值
补上缺掉的角（LookAtTrianglesWithKeys_ViewVolume．js）
用示例程序做实验
可视空间（透视投影）
定义透视投影可视空间
示例程序（perspectiveview．js）
投影矩阵的作用
共冶一炉（模型矩阵、视图矩阵和投影矩阵）
示例程序（PerspectiveView_mvp．js）
用示例程序做实验
正确处理对象的前后关系
隐藏面消除
示例程序（DepthBuffer．js）
深度冲突
立方体
通过顶点索引绘制物体
示例程序（HelloCube．js）
向缓冲区中写入顶点的坐标、颜色与索引
为立方体的每个表面指定颜色
示例程序（ColoredCube．js）
用示例程序做实验
总结
第8 章 光照
光照原理
光源类型
反射类型
平行光下的漫反射
根据光线和表面的方向计算入射角
法线：表面的朝向
示例程序（LightedCube．js）
环境光下的漫反射
示例程序（LightedCube_ambient．js）
运动物体的光照效果
魔法矩阵：逆转置矩阵
示例程序（LightedTranslatedRotatedCube．js）
点光源光
示例程序（PointLightedCube．js）
更逼真：逐片元光照
示例程序（PointLightedCube_perFragment．js）
总结
第9 章 层次模型
多个简单模型组成的复杂模型
层次结构模型
单关节模型
示例程序（JointMode．js）
绘制层次模型（draw()）
多节点模型
示例程序（MultiJointModel．js）
绘制部件（drawBox()）
绘制部件（drawSegments()）
着色器和着色器程序对象：initShaders() 函数的作用
创建着色器对象（gl．createShader()）
指定着色器对象的代码（gl．shaderSource()）
编译着色器（gl．compileShader()）
创建程序对象（gl．createProgram()）
为程序对象分配着色器对象（gl．attachShader()）
连接程序对象（gl．linkProgram()）
告知WebGL 系统所使用的程序对象（gl．useProgram()）
initShaders() 函数的内部流程
总结
第10 章 高级技术
用鼠标控制物体旋转
如何实现物体旋转
示例程序（RotateObject．js）
选中物体
如何实现选中物体
示例程序（PickObject．js）
选中一个表面
示例程序（PickFace．js）
HUD（平视显示器）
如何实现HUD
示例程序（HUD．html）
示例程序（HUD．js）
在网页上方显示三维物体
雾化（大气效果）
如何实现雾化
示例程序（Fog．js）
使用w 分量（Fog_w．js）
绘制圆形的点
如何实现圆形的点
示例程序（RoundedPoint．js）
α 混合
如何实现α 混合
示例程序（LookAtBlendedTriangles．js）
混合函数
半透明的三维物体（BlendedCube．js）
透明与不透明物体共存 ．
切换着色器
如何实现切换着色器
示例程序（ProgramObject．js）
渲染到纹理
帧缓冲区对象和渲染缓冲区对象
如何实现渲染到纹理
示例程序（FramebufferObject．js）
创建帧缓冲区对象（gl．createFramebuffer()）
创建纹理对象并设置其尺寸和参数
创建渲染缓冲区对象（gl．createRenderbuffer()）
绑定渲染缓冲区并设置其尺寸（gl．bindRenderbuffer()，
gl．renderbufferStorage()）
将纹理对象关联到帧缓冲区对象（gl．bindFramebuffer()，
gl．framebufferTexture2D()）
将渲染缓冲区对象关联到帧缓冲区对象（gl．framebufferRenderbuffer()）
检查帧缓冲区的配置（gl．checkFramebufferStatus()）
在帧缓冲区进行绘图
绘制阴影
如何实现阴影
示例程序（Shadow．js）
提高精度
示例程序（Shadow_highp．js）
加载三维模型
OBJ 文件格式
MTL 文件格式
示例程序（OBJViewer．js）
自定义类型对象
示例程序（OBJViewer．js 解析数据部分）
响应上下文丢失
如何响应上下文丢失
示例程序（RotatingTriangle_contextLost．js）
总结
附录A WebGL 中无须交换缓冲区
附录B GLSL ES 1．0 内置函数
角度和三角函数
指数函数
通用函数
几何函数
矩阵函数
矢量函数
纹理查询函数
附录C 投影矩阵
正射投影矩阵
透视投影矩阵
附录D WebGL/OpenGL ：左手还是右手坐标系？
示例程序(CoordinateSystem．js)
隐藏面消除和裁剪坐标系统
裁剪坐标系和可视空间
什么是对的？
总结
附录E 逆转置矩阵
附录F 从文件中加载着色器
附录G 世界坐标系和本地坐标系
本地坐标系
世界坐标系
变换与坐标系
附录H WebGL 的浏览器设置