Начало работы с WebGL 2: Концептуальные основы

1 апреля 2025 г.•Обновлено 4 июня 2025 г.•5 мин

Изучение WebGL 2 может быть сложным, но понимание его ключевых концепций значительно облегчает этот путь. Это введение охватывает основные концепции, которые вам понадобятся перед написанием вашей первой программы на WebGL.

Что такое WebGL 2?

WebGL (Web Graphics Library) — это JavaScript API, который позволяет отображать интерактивную 2D и 3D графику в совместимых веб-браузерах без необходимости использования плагинов. Он основан на OpenGL ES (Embedded Systems), специально разработанном для мобильных устройств и веб-приложений.

Это принципиально отличается от традиционных манипуляций с DOM. В то время как операции DOM в основном работают с элементами в древовидной структуре, WebGL 2 предоставляет низкоуровневый доступ к видеокарте через элемент canvas, позволяя использовать аппаратно-ускоренный рендеринг графики.

Вот простой пример инициализации контекста WebGL 2:

javascript
1// Получаем элемент canvas
2const canvas = document.getElementById('myCanvas');
3
4// Инициализируем контекст WebGL 2
5const gl = canvas.getContext('webgl2');
6
7if (!gl) {
8    console.error('WebGL 2 не поддерживается или не включен в этом браузере');
9    // Запасной вариант или сообщение об ошибке
10} else {
11    console.log('WebGL 2 успешно инициализирован');
12}

Чтобы лучше понять разницу в сложности между этими API, давайте сравним, что требуется для отрисовки простого красного квадрата в Canvas 2D и WebGL 2:

javascript
1// CANVAS 2D API - Рисуем красный квадрат (3 строки кода)
2const ctx = canvas.getContext('2d');
3ctx.fillStyle = 'red'; // Устанавливаем цвет на красный
4ctx.fillRect(10, 10, 100, 100); // Рисуем квадрат 100x100 в позиции (10,10)
5
6// WEBGL 2 - Рисуем красный квадрат (упрощенно, но все равно минимум ~30 строк)
7const gl = canvas.getContext('webgl2');
8
9// 1. Определяем вершинный шейдер (выполняется один раз для каждой вершины)
10const vertexShaderSource = `#version 300 es
11in vec4 a_position;
12void main() {
13  gl_Position = a_position;
14}`;
15
16// 2. Определяем фрагментный шейдер (выполняется один раз для каждого пикселя)
17const fragmentShaderSource = `#version 300 es
18precision highp float;
19out vec4 outColor;
20void main() {
21  outColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);  // Красный цвет
22}`;
23
24// 3. Создаем и компилируем шейдеры
25// ... (пропущено несколько строк кода настройки)
26
27// 4. Создаем программу и связываем шейдеры
28// ... (пропущено больше кода настройки)
29
30// 5. Определяем геометрию для квадрата
31// ... (пропущено больше кода настройки)
32
33// 6. Наконец, рисуем
34gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Очищаем до черного
35gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
36gl.useProgram(program);
37gl.bindVertexArray(vao);
38gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4); // Рисуем квадрат

Это сравнение иллюстрирует фундаментальный компромисс: Canvas 2D разработан для простоты и требует минимум кода для базовых операций, в то время как WebGL 2 требует больше настроек, но дает прямой контроль над конвейером рендеринга GPU. Эта дополнительная сложность обеспечивает продвинутую 3D-графику и производительность, для которых и разработан WebGL 2.

Используя ускорение GPU, WebGL 2 может отображать сложные 3D-сцены со скоростью 60 кадров в секунду или выше, что позволяет создавать приложения, такие как:

Интерактивные 3D-визуализации данных
Браузерные игры с продвинутой графикой
Инструменты для архитектурной и продуктовой визуализации
Физические симуляции и системы частиц
Обработка изображений и фильтры с производительностью в реальном времени

Цена? Более крутая кривая обучения по сравнению с другими веб-технологиями, но вознаграждение — это огромная визуальная мощь, которая ранее была доступна только в нативных приложениях.

WebGL 2 как машина состояний

Одна из первых концепций, которую необходимо понять — это то, что WebGL 2 функционирует как машина состояний. Это означает, что его операции зависят от ранее установленных состояний, а не исключительно от параметров, переданных функциям — фундаментальная характеристика, которая делает WebGL 2 отличным от типичных паттернов JavaScript.

В большинстве JavaScript-кода поведение функции определяется в основном параметрами, которые вы в неё передаёте:

javascript
1// Обычный JavaScript: поведение определяется параметрами
2const result = calculateSomething(paramA, paramB);

WebGL 2, однако, работает иначе:

javascript
1// Устанавливаем состояние
2gl.useProgram(shaderProgram);
3gl.uniform1f(uniformLocation, 0.5);
4
5// Поведение этой функции зависит от состояний, установленных выше
6gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

В этом примере drawArrays() будет использовать те программы шейдеров и значения uniform, которые были ранее установлены. Понимание этой архитектуры, основанной на состояниях, крайне важно для эффективного программирования на WebGL 2.

Программируемый конвейер

Фундаментальным аспектом WebGL 2 является его улучшенный программируемый конвейер, реализованный через шейдерные программы.

Существует две обязательных шейдерных программы, которые нужно написать:

Vertex Shader: позиционирует вершины
Fragment Shader: окрашивают пиксели

Программируемый конвейер представляет собой фундаментальный сдвиг от графического рендеринга с фиксированными функциями к гибкой, контролируемой разработчиком системе, где вы можете писать пользовательские программы, которые выполняются непосредственно на GPU.

До программируемых шейдеров графическое оборудование использовало "конвейер с фиксированными функциями" с встроенными, неизменяемыми алгоритмами для:

Трансформации вершин (умножение на матрицы)
Освещения (обычно модель Фонга или Блинна-Фонга)
Наложения текстур (только базовая выборка)
Расчетов тумана
Смешивания цветов

Современный программируемый конвейер отражает физическую аппаратную архитектуру GPU и обеспечивает эффективное параллельное выполнение пользовательского кода рендеринга, давая разработчикам беспрецедентный контроль над визуальным выводом.

Система координат WebGL 2

Ещё одна важная концепция — это система координат WebGL 2, которая принципиально отличается от того, к чему привыкли веб-разработчики в CSS.

В WebGL 2:

Начало координат (0,0) находится в центре холста, а не в верхнем левом углу
Ось Y направлена вверх (положительные значения вверх), а не вниз
Все координаты нормализованы между -1.0 и 1.0 независимо от размера холста

Система координат WebGL, показывающая нормализованные координаты устройства с началом координат (0,0) в центре

Понимание этой системы координат с самого начала помогает предотвратить распространенные ошибки позиционирования и ориентации в ваших проектах WebGL 2.

Что дальше

В этой статье были рассмотрены основы WebGL 2. В следующих публикациях я детально разберу: работу с шейдерами, методы оптимизации, построение модели для симуляции.

Если вы разрабатываете приложения с графикой или хотите повысить производительность визуализаций в браузере, WebGL 2 стоит изучить, несмотря на сложность освоения.

Эта статья входит в цикл материалов по созданию интерактивных 3D-визуализаций на WebGL 2.

Следующая статья: Основы WebGL 2: Отрисовка полноэкранного прямоугольника - Основы GLSL ES 3.0 и первая программа на WebGL 2.