[Day6] three.js 前置 webGL 修羅道（3) - 動畫與 varying

2017鐵人賽 three.js shader varying webgl

愷開

2016-12-20 14:07:07

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[Day6] webGL 修羅道(3) - Animation 與 varying

demo

昨天我們介紹完了如何傳遞資料給著色器，並且透過著色器畫了三個點，昨天有提到，我們可以透過 gl.drawArrays() 的方式告訴著色器頂點的連接方式。在進入今天的主題之前，先稍微說明一下 webGL 的繪圖方式。

gl.POINTS：僅繪製頂點
gl.LINES：從 buffer 中取兩點，並且繪製成線
gl.LINE_STRIP：每個頂點按照順序連起來
gl.LINE_LOOP：跟 LINE_STRIP 相同，但是最後一個頂點會連接回第一個頂點
gl.TRIANGLES：每次取三個點繪製三角形
gl.TRIAGLE_STRIP：從第三個頂點開始，每個頂點和前兩個連接
gl.TRIANGLE_FAN：從第三個頂點開始，每個頂點和第一個和上一個頂點連接

這張圖片可以很好的說明：

從以上的說明可以發現，任何複雜的形狀在 webGL 裡頭都是由一連串的頂點座標，藉由三角形拼貼而成的。不過一般來說，建模的工作並不會直接用程式碼撰寫，而是由其他軟體輸出模型檔在傳給 webGL 繪圖。

Animation 簡介

demo2-布朗隨機運動

布朗隨機運動

布朗隨機運動是一位羅伯特・布朗這位植物學家所發現的。當他在觀察水中的花粉時發現他們正在隨機運動，他發現就算水沒有在流動，這些花粉一樣不會停止運動。詳細的解釋過程可以直接到維基百科，我們這邊會利用這種隨成運動的方式來實現我們的動畫。

我們可以很容易在動畫中模擬這種效果，只要幫每個點座標加上一些隨機的偏移量就可以了。

function draw(gl, vertices) {
  
  // 布朗隨機運動
  for(var i = 0; i < POINTS_COUNT * 2; i += 2) {
    vertices[i] += Math.random() * 0.01 - 0.005; 
    vertices[i + 1] += Math.random() * 0.01 - 0.005;
  }
  
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW);
  gl.bufferSubData(gl.ARRAY_BUFFER, 0, new Float32Array(vertices));
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, POINTS_COUNT);
  
  const bindDraw = (gl, vertices) => () => draw(gl, vertices);
  requestAnimationFrame(bindDraw(gl, vertices));
}

單純修改 vertices 陣列當中的值，並不會重新繪圖，我們必須重新傳入 buffer 新的頂點座標才行。不過有沒有看到這行程式碼呢？ gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(vertices), gl.STATIC_DRAW)。

gl.STATIC_DRAW 代表我們常常會用到 buffer 的資料，但不會更動它的值。

顯然違反了我們的操作，所以我們必須修改為 gl.DYNAMIC_DRAW，告訴 webGL 裡頭的資料經常被修改。一旦設定之後，我們就不應該直接對 bufferData 做操作，而是使用 gl.bufferSubData 來傳入數據。

圓形分佈

我們當然也可以修改分布的方式。

var vertices = times(POINTS_COUNT * 2)
    .map((val, i) => Math.sin(Math.random()) *- 0.01);

實際動畫中的應用

在實務上的動畫中，這並不是一個常見的動畫調用方式，不過為了範例用途，就直接 show 給各位看了。一般表現動畫，我們通常會透過頂點與矩陣轉換的方式來操作，所以明天我們會進入 3D model 的應用。同時也會介紹 webGL 的一大利器，採樣器（sampler）來製作我們的紋理。

varying 應用

為了之後的 sampler 介紹，我們必須要介紹一下 GSGL 中的 varying。

之前各位所看到的 uniform 變數，我們將它套用到了 gl_FragColor 當中。所以我們的顏色都相同對吧！但實際的操作上，我可能會因為頂點的不同而採用不同的色彩。這時候 varying 就出現了。

varying 的作用是讓變數在 fragment shader 跟 vertex shader 中傳遞。這樣一來我們就可以依據頂點的位置加上不同的顏色。

來看一下我們的 fragment shader 跟 vertex shader：

<script id="shader-fs" type="x-shader/x-fragment">
    // shader program
    precision mediump float;
    varying lowp vec4 vColor;
    void main(void) {
      gl_FragColor = vColor;
    }
</script>
<script id="shader-vs" type="x-shader/x-vertex">
    attribute vec4 position;
    attribute float size;
    
    attribute vec4 aVertexColor;
    
    varying lowp vec4 vColor;
    
    void main(void) {
      gl_Position = position;
      vColor = aVertexColor;
    }
</script>

就可以利用 aVertexColor 傳遞值給 vColor 了。varying 變數會根據每個單獨的片段得到不同的顏色（進行差值）。注意到 varying 兩邊的變數名稱必須相同。

一樣，我們利用 gl.vertexAttribPointer 傳遞值給 buffer。結果像這樣：

demo