Et minimalt eksempel

Hva

I denne modulen skal vi se på et enkelt eksempel. Vi skal rett og slett tegne ut en rød firkant på grå bakgrunn i et canvas-element.

Vi ser først på en løsning i tradisjonell OpenGL. Dette er programmert i Java med biblioteket JOGL [1] som binding til OpenGL.

Deretter ser vi hvordan vi kan oppnå det samme med OpenGL ES. Løsningen er modifisert fra Mozilla Development Network [2] .

Tradisjonell OpenGL

Nedenfor finner du essensen i et Java-program som bruker OpenGL til å lage figuren som er vist øverst på siden. Dette er klippet fra en løsning som lager tegningen i et eget vindu og det finnes altså ikke noen kopling til noe canvas-element.

public void init(GLAutoDrawable drawable) {
    GL gl = drawable.getGL();
    System.err.println("INIT GL IS: " + gl.getClass().getName());
    gl.setSwapInterval(1);
    gl.glClearColor(0.8f, 0.8f, 0.8f, 1.0f);
    gl.glShadeModel(GL.GL_SMOOTH); 
}
public void reshape(GLAutoDrawable drawable,int x, int y, int width, int height) 
{
    GL gl = drawable.getGL();
    GLU glu = new GLU();
    if (height <= 0) {height = 1;}
    final float h = (float) width / (float) height;
    gl.glViewport(0, 0, width, height);
    gl.glMatrixMode(GL.GL_PROJECTION);
    gl.glLoadIdentity();
    glu.gluPerspective(45.0f, h, 1.0, 20.0);
    gl.glMatrixMode(GL.GL_MODELVIEW);
    gl.glLoadIdentity();
}
public void display(GLAutoDrawable drawable) {
    GL gl = drawable.getGL();
    gl.glClear(GL.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    gl.glLoadIdentity();
    gl.glTranslatef(-0.0f, 0.0f, -6.0f);
    gl.glBegin(GL.GL_QUADS);
        gl.glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f); 
        gl.glVertex3f(-1.0f, 1.0f, 0.0f); 
        gl.glVertex3f(1.0f, 1.0f, 0.0f);
        gl.glVertex3f(1.0f, -1.0f, 0.0f);
        gl.glVertex3f(-1.0f, -1.0f, 0.0f); 
    gl.glEnd();
    gl.glFlush();
}

OpenGL ES

Her må vi altså fordele logikken på flere kodesegmenter:

Shading language kode for hvert fragment (~ pixel)
Shading language kode for hvert hjørne, vertex
JavaScript kode for selve organiseringen av tegningen

og vi må ha et canvas-element.

Shading language

Både fragment-shader og vertex-shader er plassert som kildekode på selve websiden, i hver sin script-tag med mimetyper henholdsvis:

type="x-shader/x-fragment"
type="x-shader/x-vertex"

Fragment shader

Fragment shaderen er svært enkel: Den produserer et rødt, ikke gjennomsiktig, fragment uansett. gl_FragColor er en predfinert variabel.

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

Vertex shader

De to variablene: uMVMatrix og uPMatrix blir satt fra Javascriptkoden. aVertexPosition representerer det aktuelle punktet, slik det er ordnet i en buffer fra Javascriptet. Det denne shaderen gjør er å ta det aktuelle punktet og multiplisere den med de to matrisene som kontrollerer transformasjoner i selve modellen (uMVMatrix) og perspektivet (uPMatrix). Resultatet av denne multiplikasjonen er punktet angitt i rommet, sett fra betrakteren. I tradisjonell OpenGL-programmering heter disse to matrisene henholdsvis GL_MODELVIEW og GL_PROJECTION. gl_Position er en predfinert variabel.

attribute vec3 aVertexPosition; // attribute deprecated use: in (when implemented)
// ModeView matrix
uniform mat4 uMVMatrix;
// Perspective matrix
uniform mat4 uPMatrix;
 
void main(void) {
    // transformed position
    gl_Position = uPMatrix * uMVMatrix * vec4(aVertexPosition, 1.0);
}

Javascript

Websiden bruker noen Javascriptbiblioteker for å håndtere matriser og vektorer, Sylvester [5] og et enkelt tillegg til Sylvester som brukes av Mozillas WebGL sider [2] .

Ellers er alle nødvendige biblioteker implementert som en integrert del av nettleseren, altså ingen plug-ins.

Javascriptet som handterer vår tegning er inkludert som egen fil. De viktigste delene av denne koden er kommentert funksjon for funksjon nedenfor. Hele fila ser slik ut:

 //globals
var canvas;                    // the canvas we use
var gl;                        // the gl-context we find in canvas
var squareVerticesBuffer;      // the vertices of our square
var mvMatrix;                  // the modelview matrix
var perspectiveMatrix;         // the perspective matrix
var shaderProgram;             // the shaderprogram we build and compile
var vertexPositionAttribute;
var viewAspect=1.0;
//eofglobals
//start
function start() {
  canvas = document.getElementById("glcanvas");
  initWebGL(canvas); 
  
  if (gl) {
    gl.clearColor(0.8, 0.8, 0.8, 1.0); 
    gl.clearDepth(1.0);       
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
    gl.depthFunc(gl.LEQUAL); 
    
    initShaders();
    
    initBuffers();
    onWindowResize();
    drawScene();
    // pick up resize
    window.addEventListener( 'resize', onWindowResize, false );    
  }
}
//eofstart
//initWebGL
function initWebGL() {
    gl = null;
    var names = ["webgl", "experimental-webgl", "webkit-3d", "moz-webgl"];
    for(var i = 0; i < names.length; i++){
        try {gl = canvas.getContext("experimental-webgl");}
        catch(e) {}
        if(gl){break;}
    }
    if (!gl) {
        // show captures instead
        showCaptureInstead();
    }
}
//eofinitWebGL
//initBuffers
function initBuffers() {  
  // Create a buffer for the square's vertices.
  squareVerticesBuffer = gl.createBuffer();  
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, squareVerticesBuffer); 
  // Create an array of vertices for the square.(z-ccord=0.0)  
  var vertices = [
    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(vertices), gl.STATIC_DRAW);
}
//eofinitBuffers
//drawScene
function drawScene() {
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
  perspectiveMatrix = makePerspective(45, viewAspect, 0.1, 100.0);
  loadIdentity();
  mvTranslate([-0.0, 0.0, -6.0]);
  
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, squareVerticesBuffer);
  gl.vertexAttribPointer(vertexPositionAttribute, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
   
  //"uPMatrix" and "uMVMatrix" identifies storage in vertex-shader
  var pUniform = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uPMatrix");
  gl.uniformMatrix4fv(pUniform, false, new Float32Array(perspectiveMatrix.flatten()));
  var mvUniform = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uMVMatrix");
  gl.uniformMatrix4fv(mvUniform, false, new Float32Array(mvMatrix.flatten()));
  
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
}
//eofdrawScene
//initShaders
function initShaders() {
  var fragmentShader = getShader(gl, "shader-fs");
  var vertexShader = getShader(gl, "shader-vs");
  
  // Create the shader program  
  shaderProgram = gl.createProgram();
  gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
  gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
  gl.linkProgram(shaderProgram);
  
  // ok ? 
  if (!gl.getProgramParameter(shaderProgram, gl.LINK_STATUS)) {
    alert("Unable to initialize the shader program.");
  } 
  gl.useProgram(shaderProgram);
  
  // link to shaderProgram, "aVertexPosition" is a storageidentifier in vertex shader 
  vertexPositionAttribute = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "aVertexPosition");
  gl.enableVertexAttribArray(vertexPositionAttribute);
}
//eofinitShaders
//getShader
function getShader(gl, id) {
  var shaderScript = document.getElementById(id);
  if (!shaderScript) {
    return null;
  }
  
  // pick up source. 
  var theSource = "";
  var currentChild = shaderScript.firstChild;  
  while(currentChild) {
    if (currentChild.nodeType == 3) {
      theSource += currentChild.textContent;
    }    
    currentChild = currentChild.nextSibling;
  }
  
  // what type of shader script we have, based on its MIME type.
  var shader; 
  if (shaderScript.type == "x-shader/x-fragment") {
    shader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
  } else if (shaderScript.type == "x-shader/x-vertex") {
    shader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
  } else {
    return null;  // Unknown 
  }
  
  // Send the source to the shader object
  gl.shaderSource(shader, theSource);
  
  // Compile the shader program
  gl.compileShader(shader);
  
  // Compiled successfully ?
  if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
    alert("An error occurred compiling the shaders: " + gl.getShaderInfoLog(shader));
    return null;
  }
  
  return shader;
}
//eofgetShader
//
// Matrix utility functions
//
function loadIdentity() {
  mvMatrix = Matrix.I(4);
}
function multMatrix(m) {
  mvMatrix = mvMatrix.x(m);
}
function mvTranslate(v) {
  multMatrix(Matrix.Translation($V([v[0], v[1], v[2]])).ensure4x4());
}
        
//resizing
function onWindowResize() {
    canvas.width=window.innerWidth;
    canvas.height=window.innerHeight;
    viewAspect=1.0*window.innerWidth / window.innerHeight;
    gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    // if not animated: 
    drawScene();
}
//eofresizing

Det kan være lurt å kikke på OpenGL ES 2.0 Reference Pages [6] for å få en forklaring av de enkelte metodene.

Følgende globale variable er definert.

var canvas;                    // the canvas we use
var gl;                        // the gl-context we find in canvas
var squareVerticesBuffer;      // the vertices of our square
var mvMatrix;                  // the modelview matrix
var perspectiveMatrix;         // the perspective matrix
var shaderProgram;             // the shaderprogram we build and compile
var vertexPositionAttribute;
var viewAspect=1.0;

Funkjsonen start() kalles typisk enten ved body onload, eller ved et script i bunnen (etter canvas) i selve websiden. I dette eksempelet er det denne funksjone som drar hele jobben.

function start() {
  canvas = document.getElementById("glcanvas");
  initWebGL(canvas); 
  
  if (gl) {
    gl.clearColor(0.8, 0.8, 0.8, 1.0); 
    gl.clearDepth(1.0);       
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
    gl.depthFunc(gl.LEQUAL); 
    
    initShaders();
    
    initBuffers();
    onWindowResize();
    drawScene();
    // pick up resize
    window.addEventListener( 'resize', onWindowResize, false );    
  }
}

Funkjsonen initWebGL() forsøker å sette opp WebGL i canvas-elementet. Merk at rekken av konstanter som forsøkes anvendt i metoden getContext() skal standardiseres til "webgl" etterhvert som denne teknologien modnes hos nettleserne.

function initWebGL() {
    gl = null;
    var names = ["webgl", "experimental-webgl", "webkit-3d", "moz-webgl"];
    for(var i = 0; i < names.length; i++){
        try {gl = canvas.getContext("experimental-webgl");}
        catch(e) {}
        if(gl){break;}
    }
    if (!gl) {
        // show captures instead
        showCaptureInstead();
    }
}

I funksjonen initBuffers() setter vi opp de punktene som beskriver modellen vår og som etterhvert skal sendes til vertex-shaderen.

function initBuffers() {  
  // Create a buffer for the square's vertices.
  squareVerticesBuffer = gl.createBuffer();  
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, squareVerticesBuffer); 
  // Create an array of vertices for the square.(z-ccord=0.0)  
  var vertices = [
    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(vertices), gl.STATIC_DRAW);
}

Funksjonen drawScene() skiller seg fra det vi kjenner fra tradisjonell OpenGL på den måten at vi ikke lenger "tegner" hjørne for hjørne. I stedet sender vi en punktliste til shaderen, sammen med de to matrisene (modelview og perspective). Deretter starter vi tegningen med gl.drawArrays

function drawScene() {
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
  perspectiveMatrix = makePerspective(45, viewAspect, 0.1, 100.0);
  loadIdentity();
  mvTranslate([-0.0, 0.0, -6.0]);
  
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, squareVerticesBuffer);
  gl.vertexAttribPointer(vertexPositionAttribute, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
   
  //"uPMatrix" and "uMVMatrix" identifies storage in vertex-shader
  var pUniform = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uPMatrix");
  gl.uniformMatrix4fv(pUniform, false, new Float32Array(perspectiveMatrix.flatten()));
  var mvUniform = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uMVMatrix");
  gl.uniformMatrix4fv(mvUniform, false, new Float32Array(mvMatrix.flatten()));
  
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
}

de to funksjonene initShaders() og getShader() laster inn shaderne, kompilerer dem og etablerer shaderprogrammet.

function initShaders() {
  var fragmentShader = getShader(gl, "shader-fs");
  var vertexShader = getShader(gl, "shader-vs");
  
  // Create the shader program  
  shaderProgram = gl.createProgram();
  gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
  gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
  gl.linkProgram(shaderProgram);
  
  // ok ? 
  if (!gl.getProgramParameter(shaderProgram, gl.LINK_STATUS)) {
    alert("Unable to initialize the shader program.");
  } 
  gl.useProgram(shaderProgram);
  
  // link to shaderProgram, "aVertexPosition" is a storageidentifier in vertex shader 
  vertexPositionAttribute = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "aVertexPosition");
  gl.enableVertexAttribArray(vertexPositionAttribute);
}

function getShader(gl, id) {
  var shaderScript = document.getElementById(id);
  if (!shaderScript) {
    return null;
  }
  
  // pick up source. 
  var theSource = "";
  var currentChild = shaderScript.firstChild;  
  while(currentChild) {
    if (currentChild.nodeType == 3) {
      theSource += currentChild.textContent;
    }    
    currentChild = currentChild.nextSibling;
  }
  
  // what type of shader script we have, based on its MIME type.
  var shader; 
  if (shaderScript.type == "x-shader/x-fragment") {
    shader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
  } else if (shaderScript.type == "x-shader/x-vertex") {
    shader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
  } else {
    return null;  // Unknown 
  }
  
  // Send the source to the shader object
  gl.shaderSource(shader, theSource);
  
  // Compile the shader program
  gl.compileShader(shader);
  
  // Compiled successfully ?
  if (!gl.getShaderParameter(shader, gl.COMPILE_STATUS)) {
    alert("An error occurred compiling the shaders: " + gl.getShaderInfoLog(shader));
    return null;
  }
  
  return shader;
}

Dette er resultatet lagt i en iframe:

Du kan også inspisere resultatet og kildekoden på en enklere side:
simple.html https://borres.hiof.no/wep/webgl/basis/firkant/simple.html

Referanser

JOGL, Javabinding for OpenGL jogl.dev.java.net/ 14-04-2009

WebGL Mozilla Developer Network developer.mozilla.org/en/WebGL 14-05-2011

OpenGL Software Development Kit Khronos Group www.opengl.org/sdk/docs/man/ 14-05-2011

OpenGL Shading Language (GLSL) Reference Pages Opengl.org www.opengl.org/sdk/docs/manglsl/ 14-05-2011

Sylvester sylvester.jcoglan.com/ 14-05-2011

OpenGL ES Software Development Kit Khronos Group www.khronos.org/opengles/sdk/docs/man/ 14-05-2011