通过webgl中的纹理贴图来自定义图片间的转场效果

[forthealllight]

通过webgl中的纹理贴图来自定义图片间的转场效果

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    本章节建立我们基本上掌握了如何在2D或者3D平面中绘制图形的基础上（当然不了解2D和3D平面绘制图片也可以往下阅读），我们在2D平面中，可以用webgl去绘制我们所需要的图案，但实际中我们用到某个图形时不可能全部一一的去绘制，纹理贴图解决了这个问题，我们可以用已有的图片来填充webgl中的图形。

• 纹理基础
• 2D图形的纹理贴图
• 多纹理单元的纹理贴图
• 不同纹理间实现转场特效

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这个系列的源码地址为：源码的地址为： https://github.com/forthealllight/webgl-demo

一、纹理基础

    在了解纹理贴图之前，我们先来了解一下预备知识，首先什么是纹理贴图或者说纹理映射呢？

    将一张图像贴到一个几何体的表面

    这就是纹理贴图的含义，这张图像我们就成为纹理，这个工作我们就称为纹理贴图，其本质就是提取图像中的颜色，然后对应的赋予给几何平面的某个位置，从而将图像在几何体表面完成渲染。

    这里从纹理（图像）到几何体表面之间有一个映射，为了了解这个映射是怎么发生的，我们必须了解一下纹理坐标和裁剪坐标。

裁剪坐标

    webgl中的裁剪面坐标如下所示：

    从上述裁剪坐标系统的示意图中我们可以看出，webgl中整个裁剪平面的中心坐标是(0,0),对于二维的裁剪平面而言其水平方向从(-1,0)到(1,0),其竖直方向从(0,-1)到(0,1).

也就是说其裁剪坐标任何方向的值在区间[-1,1]内。

注意一点：裁剪平面是决定如何映射到画布上，因为画布是二维的，因此裁剪平面也是二维的。webgl中z轴的坐标并不限制在(-1,1),可以为任何值。

纹理坐标

    纹理坐标跟裁剪坐标不一样，其值不是从[-1,1]而是从[0,1]:

在贴图过程中，我们需要使裁剪坐标中的顶点坐标，与纹理坐标系统点一一对应。也就是如何截取纹理坐标中的纹理，贴到几何图形中。

需要注意的是，图片本身的坐标与纹理的坐标是左右相等，上下相反的，因此，存在一个上下方向的坐标变换。在webgl中的纹理 中，通过：

 gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL,1)

来反转Y轴上的方向。

禁用Chrome的安全性检测

    本文的例子中，直接本地通过file文件打开html，如果在这个html文件中有ajax跨域请求，那么因为浏览器的安全性检测，会提示如下信息的错误：

Cross origin requests are only supported for HTTP....

当然如果启动一个本地server就不会有影响。这里有种懒人解决方案，就是通过禁用安全性检测的方法,以mac为例，从命令行窗口中启动chrome，启动命令为

open /Applications/Google\ Chrome.app --args --allow-file-access-from-files

此外，也可以安装http-server，快速在本地启一个server.

二、2D图形的纹理贴图

    下面我们以2D几何图形的纹理贴图来介绍一下，在webgl中如何实现纹理贴图。

(1).首先创建一个纹理缓冲

function createTexture (gl, filter, data, width, height) {
  let textureRef = gl.createTexture();
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, textureRef);
  gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL,1)
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, filter);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, filter);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE);
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, data);
  return textureRef;
}

    上述就是一个创建纹理缓存的例子，通过gl.createTexture()创建一个纹理缓存，并关联系统变量gl.TEXTURE_2D. 此外，因为在纹理的渲染中，在Y轴方向与图片是完全相反的，因此如果需要正相呈现纹理渲染结果，比如进行Y轴方向的反转，即gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL,1)。

    此外我们可以通过gl.texParameteri函数，指定当图片纹理大于渲染区域，或者图片纹理小于渲染区域时，如何去正确的渲染。

    最后通过：

gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, data);

    提取data中的元素保存到纹理缓存中，data可以是image，也可以是video，甚至是另一个canvas的渲染结果。也就是说，webgl的纹理贴图的源，不仅仅可以是图片，还可以是视频的一帧，甚至是另一个cavans。

(2).加载图片使用纹理缓冲

 let image = new Image()
 image.src = './cubetexture.png'
 image.onload = function(){
    let textureRef  = createTexture(gl,gl.LINEAR,image1);
    gl.activeTexture(gl.TEXTURE0)
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D,textureRef)
    gl.uniform1i(u_Sampler, 0);  // texture unit 0
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
  }

上述代码加载image图片，在onload的时候，通过之前定义的createTexture创建纹理，然后激活使用0号纹理单元，webgl可以同时支持多个纹理单元，可以同时将多个纹理渲染到同一个可视区。激活纹理单元后，我们将0传递给着色器中的取样器变量u_Sampler.

最后我们在片元着色器中接受纹理单元编号，以及纹理坐标，最后贴图渲染到渲染区：

    uniform sampler2D u_Sampler; //取色器变量
    varying lowp vec2 v_TexCoord; //纹理坐标
    void main() {
      gl_FragColor = texture2D(u_Sampler,v_TexCoord); 
    }

我们最终得到了在所指定的区域，渲染了正确的一张图片，渲染结果如下所示：

三、多纹理单元的纹理贴图

    前面说到webgl可以同时支持多个纹理单元，webgl可以同时处理多幅纹理，纹理单元就是为了这个目的而设计的。在上述的例子中，我们只用了一个纹理单元，将一张纹理渲染到了渲染区。接下来我们尝试使用两个纹理单元，将两张图片，渲染到同一个区域。

纹理图片1

纹理图片2

    我们使用webgl中国的两个纹理单元，分别为gl.TEXTURE0和gl.TEXTURE1,修改代码如下。

首先是加载和渲染的逻辑：

  let textures = []
  image.onload = function(){
     let textureRef  = createTexture(gl,gl.LINEAR,image);
     gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
     gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D,textureRef)
     textures.push(textureRef)    
  }
  image.src = './cubetexture.png'
  let image1 = new Image();
  image1.onload = function(){
    let textureRef1  = createTexture(gl,gl.LINEAR,image1);
    gl.activeTexture(gl.TEXTURE1)
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D,textureRef1)
    textures.push(textureRef1)
  }
  image1.src = './img.png'
  
  //激活纹理单元并且绘制
  gl.uniform1i(u_Sampler, 0);  // texture unit 0
  gl.uniform1i(u_Sampler1, 1);  // texture unit 1
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, textures[0]);
  gl.activeTexture(gl.TEXTURE1);
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, textures[1]);

最后修改片元着色器：

uniform sampler2D u_Sampler;
uniform sampler2D u_Sampler1;
void main(){
  gl_FragColor = texture2D(u_Sampler,v_TexCoord) + texture2D(u_Sampler1,v_TexCoord); 
}

最后的渲染结果为：

最后双纹理单元合成渲染结果

完成的代码 地址为：https://github.com/forthealllight/webgl-demo/tree/master/demo13

四、不同纹理间实现转场效果

    通过使用多纹理单元，我们可以实现图片间的转场效果，首先我们来看什么是转场效果。

    转场效果顾名思义，就是从图片A切换到图片B之间的动画特效，类似与我们在做PPT的时候，一些淡入淡出等等动效。在webgl中，渲染的纹理本质也是图片，因此可以在不同纹理间，按时间顺序控制不同纹理的渲染结果，可以实现转场的效果。

如上所示的动图就是列出了一些转场特效。

    我们以同样前面的两张图片为例，研究一下图片或者说纹理间的转场效果。

直接看片元着色器中的代码：

vec4 transition (vec2 uv) {
  float time = progress;
  float stime = sin(time * PI / 2.);
  float phase = time * PI * bounces;
  float y = (abs(cos(phase))) * (1.0 - stime);
  float d = uv.y - y;
  return mix(
    mix(
      getToColor(uv),
      shadow_colour,
      step(d, shadow_height) * (1. - mix(
        ((d / shadow_height) * shadow_colour.a) + (1.0 - shadow_colour.a),
        1.0,
        smoothstep(0.95, 1., progress) // fade-out the shadow at the end
      ))
    ),
    getFromColor(vec2(uv.x, uv.y + (1.0 - y))),
    step(d, 0.0)
  );
}

    我们看到这个transition函数就是一个转换函数，决定了随着时间，如何切换纹理，从而进行渲染，我们通过getFromColor和getToColor指定了两个不同纹理单元的纹理：

    vec4 getToColor(vec2  uv){
      return texture2D(u_Sampler,uv);
    }
    vec4 getFromColor(vec2 uv){
      return texture2D(u_Sampler1,uv);
    }

最后片元着色器的颜色就是调用transition函数后的结果，在调用transition的时候我们传入了纹理坐标。

void main() {
    gl_FragColor =  transition(v_TexCoord);
}

最后要想要渲染结果动起来，就必须写一个定时器，动态改变transition中的参数progress，是其从0到1的变化。

setInterval(()=>{
    if(textures.length === 2){
      if(i >= 1){
        i = 0.01
      }
      gl.uniform1i(u_Sampler, 0);  // texture unit 0
      gl.uniform1i(u_Sampler1, 1);  // texture unit 1
      gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
      gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, textures[0]);
      gl.activeTexture(gl.TEXTURE1);
      gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, textures[1]);
      let progress = gl.getUniformLocation(shaderProgram,'progress')
      gl.uniform1f(progress,i)
      i += 0.05
      gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
    
    }
  },100)

最后的渲染结果我们可以看到的动画结果如下：

完成的代码 地址为：https://github.com/forthealllight/webgl-demo/tree/master/demo12

此外，在https://github.com/gl-transitions/gl-transitions 上收录了各色各样的转场效果，转场不仅仅可以应用于图片，还可以应用于视频的不同帧间，下篇文章将具体讲讲如何实现在webgl中渲染video，以及video的帧间动画。

[syd192]

下篇文章，有空记得更呀

[forthealllight]

下篇文章，有空记得更呀

好的