ここまではthree.jsを使って実装してきた。
実際のところthree.jsを使うと、WebGLや行列、ベクトルは意識しなくても実装できるようになっている。ただシェーダーを直にいじるとか、低レベルな実装をする場合はthree.jsの内部構造も意識して実装しなくてはならない。だが、WebGLに比べて、APIの内部構造のドキュメントは少なく、直にソースコードを覗き、解析を行う必要がある。でもその内部構造は当然のことながら、WebGLを使って実装されているから、WebGLの知識は必要なのだ。シェーダーを書くことはなくても、例えばBufferGeometryとGeometryの違いや利点は、WebGLのVertex Buffer Objectのことを知っていないと理解できない。私の結論としては「WebGLに関する知識は相当に持っておく必要がある」だ。
私の場合それに加えて、頂点周りの行列処理や、ライティングに関する知識も乏しいため、three.jsの内部について理解を深めることは困難を極める。
そういうわけでthree.jsを使うのをやめ、APIを使って再実装することにした。 対象とするAPIはWebGL 2.0としたい。といってもいきなりの実装はできないので、知識を深めながら進めることにする。教材としてはwgld.orgを使わせていただこうと思っている。ただここで書かれているサンプルコードは、若干古いので書き直しながら進めようと思っている。結局のところwgld.orgにあるサンプルコードをES6を意識しながら書き直していくことで、知識を深めようという作戦をとることにする。
そういうわけで、まず最初に実装したのが以下である。
https://bl.ocks.org/sfpgmr/47c33ee5ac5199e126fa6a6b2f974f80
三角形ポリゴンを一枚描くという、APIのチュートリアルではほぼ定番のコードである。wgld.orgではポリゴンに色を塗る(頂点色の指定) に相当する。
ちょっとヘンテコ改造になっているけどね。。例えばminMatrix.jsなど。
あと元コードはWebGL 1.0ベースであるが、それを WebGL 2.0ベースに書き直している。シェーダーコードはHTMLに書くのではなく、jsコード中にテンプレート文字列を使って書いている。es6の現代にあっては、シェーダーコードはjsファイル中に書くべきだと私は思っている。
実をいうとここまでのレベルのコードは、DirectX + C++でコードを書いていた時代でも書けていた。たしかDirectX 11あたりまでは追っかけていたと思う。シェーダーコードについてもGLSLではなくHLSLだが書いていた。
シューティングゲーム(1)Direct3Dプリミティブの描画
ただ過去記事を振り返ると、2D描画が目的なので、3Dへの取り組みは少し触れる程度にとどまっている。
3Dは2Dよりずっと難しいからだ。ただ当時にくらべてwgld.orgなどの良コンテンツもあるので、以前よりはハードルは下がっているので、じっくり時間をかけて勉強しようと思う。と言いつつも途中で飽きる可能性は高いけど。。
もう当初のシューティングゲームを作るという目的からは外れているが、趣味なのでよしとしよう。。
動作サンプル
ソースコード・リソース
function filter(f){
if(f.match(/\.js/i)){
if(f.match(/bundle\.js/i)) return false;
return true;
}
return false;
}
module.exports = filter;
import Mat4 from './mat4.js';
// WebGL 2.0 APIをラッピングするクラス
class GL2 {
constructor({ width = window.innerWidth, height = window.innerHeight, elem = document.body }) {
// canvasエレメントを作成する
const canvas = document.createElement('canvas');
// canvasの幅と高さを設定
canvas.width = width;
canvas.height = height;
// インスタンスに幅と高さを保存
this.width = width;
this.height = height;
// canvasにidを設定
canvas.id = 'screen';
// elemの子要素としてcanvasを追加
elem.appendChild(canvas);
// インスタンスにWebGL2RenderingContextを保存
this.context = canvas.getContext('webgl2');
// WebGL2RenderingContextが獲得できない場合は例外を送出する。
if (!this.context) throw new Error('このブラウザはWebGL2Contextをサポートしていません。');
}
// shaderSrcとtypeでWebGLShaderを作り返す
createShader(shaderSrc, type) {
// WebGL2RenderingContextコンテキスト
const context = this.context;
// WebGLShaderの生成
const shader = context.createShader(type);
// WebGLShaderにシェーダーソースコードをセットする
context.shaderSource(shader, shaderSrc);
// シェーダーソースコードをコンパイルする
context.compileShader(shader);
// シェーダーのコンパイルが失敗した場合は例外を送出する
if (!context.getShaderParameter(shader, context.COMPILE_STATUS)) {
throw new Error(context.getShaderInfoLog(shader));
}
return shader;
}
// 2つのWebGLShader(頂点シェーダ・フラグメントシェーダ)
// からWebGLProgramを作り返す
createProgram(vs, fs) {
// WebGL2RenderingContextコンテキスト
const context = this.context;
// WebGLProgramの作成
const program = context.createProgram();
// 頂点シェーダをアタッチする
context.attachShader(program, vs);
// フラグメントシェーダをアタッチする
context.attachShader(program, fs);
// シェーダーをリンクする
context.linkProgram(program);
// リンクが失敗したら例外を送出する
if (!context.getProgramParameter(program, context.LINK_STATUS)) {
throw new Error(context.getProgramInfoLog(program));
}
return program;
}
// 現在のレンダリング・ステートで使用するWebGLProgramを指定する
useProgram(program) {
this.context.useProgram(program);
}
// WebGLBuffer(Vetex Buffer) を作成し、データをセットし返す
createBuffer(data) {
// WebGL2RenderingContextコンテキスト
const context = this.context;
// WebGLBufferを作成する
const buffer = context.createBuffer();
// WebGLBufferのバインド
context.bindBuffer(context.ARRAY_BUFFER, buffer);
// dataのセット
context.bufferData(context.ARRAY_BUFFER, data, context.STATIC_DRAW);
// バインドの解除
context.bindBuffer(context.ARRAY_BUFFER, null);
return buffer;
}
// WebGLBufferをlocationで指定したアトリビュートに割り当てる
setAttribute(buffer,location,size,type = this.context.FLOAT,normalize =false,byteStride = 0,byteOffset = 0){
// WebGL2RenderingContextコンテキスト
const context = this.context;
context.bindBuffer(context.ARRAY_BUFFER, buffer);
// locationのattributeを有効にする
context.enableVertexAttribArray(location);
// locationのattributeにWebGLBufferを割り当てる
context.vertexAttribPointer(location, size, type, normalize, byteStride, byteOffset);
}
/// WebGLVertexArrayObjectを生成し、返す
createVertexArray({dataArray,dataTypes,bufferTypes, locations, sizes, indexBuffer,indexBufferType}){
// WebGL2RenderingContextコンテキスト
const context = this.context;
// WebGLVertexArrayObjectを生成する
const vao = context.createVertexArray();
// WebGLVertexArrayObjectをバインドする
context.bindVertexArray(vao);
// 配列データからWebGLBufferを作成し、attributeに割り当てる
for(let i = 0,e = dataArray.length;i < e;++i){
// WebGLBufferの生成
let vbo = context.createBuffer();
// WebGLBufferのバインド
context.bindBuffer(context.ARRAY_BUFFER, vbo);
// WebGLBufferにデータを設定する
context.bufferData(context.ARRAY_BUFFER, dataArray[i], bufferTypes ? bufferTypes[i] : context.STATIC_DRAW);
// locationのattributeを有効にする
context.enableVertexAttribArray(locations[i]);
// locationのattributeにWebGLBufferを割り当てる
context.vertexAttribPointer(locations[i], sizes[i], dataTypes ? dataTypes[i] : context.FLOAT, false, 0, 0);
}
// インデックスバッファーの生成
if(indexBuffer){
// WebGLBufferの作成
let ibo = context.createBuffer();
// WebGLBufferのバインド
context.bindBuffer(context.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, ibo);
// WebGLBufferにインデックスデータを引き渡す
context.bufferData(context.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, new UInt32Array(iboData), indexBufferType ? indexBufferType : context.STATIC_DRAW);
}
// WebGLVertexArrayObjectのバインドを解除
context.bindVertexArray(null);
return vao;
}
setMatrix({model,view,projection}){
this.model = model ? model : this.model;
this.view = view ? view : this.view;
this.projection = projection ? projection : this.projection;
this.mvp = this.model.multiply(this.projection.multiply(this.view));
}
resize(){
this.width = window.innerWidth;
this.height = window.innerHeight;
this.setMatrix({projection:Mat4.createPerspective({fovy:90, aspect:this.width / this.height, near:0.1, far:100})});
}
// uniform変数に値を設定する
setUniformValue(prg,attributeName,value)
{
// uniform変数の位置を取得する
var uniLocation = this.context.getUniformLocation(prg, 'mvpMatrix');
// uniform変数に値を設定する
this.context.uniformMatrix4fv(uniLocation, false, value);
}
}
export default GL2;
<!doctype html>
<html lang="ja">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>WebGL 2.0</title>
<link rel="stylesheet" href="./dat.gui.css" />
<script src="./dat.gui.min.js"></script>
<script type="text/javascript" src="./bundle.js"></script>
<style>
body {
margin: 0;
padding: 0;
overflow: hidden;
}
#container {
position: relative;
}
#info {
left: 25vw;
top: 50vh;
width: 50vw;
position: absolute;
background: white;
color: black;
opacity: 0.5;
margin: auto;
text-align: center;
font-size: 3vw;
}
canvas#screen {
width: 100vw;
height: 100vh;
margin: 0;
padding: 0;
}
.error {
color:red;
font-size: 16px;
}
</style>
</head>
<body>
<div id="container">
<div id="info"></div>
</div>
</body>
</html>
"use strict"
// 4x4 行列クラス
import Mat4 from './mat4.js';
// WebGL2.0 ラッパー
import GL2 from './gl2.js';
function loadTexture(src) {
return new Promise((resolve, reject) => {
const img = new Image();
img.addEventListener('load', () => {
resolve(img);
});
img.src = src;
});
}
// 頂点シェーダ
const vertexShader =
`#version 300 es
layout (location = 0) in vec3 position;
layout (location = 1) in vec4 color;
uniform mat4 mvpMatrix;
out vec4 oColor;
void main(void){
gl_Position = mvpMatrix * vec4(position,1.0);
oColor = color;
}
`;
// フラグメントシェーダ
const fragmentShader =
`#version 300 es
precision highp float;
out vec4 color;
in vec4 oColor;
void main(void){
color = oColor;
}
`;
document.addEventListener('DOMContentLoaded', () => {
// ローディング中の情報表示
const info = document.getElementById('info');
info.innerText = 'ロード中...しばらくお待ちください。';
// GL2クラスの生成
let gl2;
try {
gl2 = new GL2({ elem: document.getElementById('container') });
} catch (e) {
info = e.message;
return;
}
// gl2オブジェクトからコンテキストを取り出す
const ctx = gl2.context;
// 画面クリアカラーの設定
ctx.clearColor(0.0 /* Red */, 0.0 /* Green */, 0.0 /* Blue */, 1.0 /* Alpha */);
// 深度バッファのクリア値の設定
ctx.clearDepth(1.0);
// 画面クリア
ctx.clear(ctx.COLOR_BUFFER_BIT | ctx.DEPTH_BUFFER_BIT);
// 頂点シェーダの作成
const vs = gl2.createShader(vertexShader, ctx.VERTEX_SHADER);
// フラグメントシェーダの作成
const fs = gl2.createShader(fragmentShader, ctx.FRAGMENT_SHADER);
// プログラムの作成
const prg = gl2.createProgram(vs, fs);
// 現在のレンダリングステートにプログラムを割り当てる
gl2.useProgram(prg);
// 頂点情報
const vertices = new Float32Array([
0.0, 1.0, 0.0,
1.0, 0.0, 0.0,
-1.0, 0.0, 0.0
]);
// 色情報
const colors = new Float32Array([
0.0 /* Red */, 1.0 /* Green */, 0.0 /* Blue */, 1.0 /* Alpha */,
0.0, 0.0, 1.0, 1.0,
1.0, 0.0, 0.0, 1.0,
]);
// Vertex Array Objectの生成
const vao = gl2.createVertexArray({
dataArray:[vertices,colors],
locations:[0,1],
sizes:[3,4]
});
// Vertex Array Objectのバインド
ctx.bindVertexArray(vao);
// 各種行列の生成と初期化
gl2.setMatrix({
model:new Mat4().identity(),
view:Mat4.createLookAt({eye:[0.0, 1.0, 3.0], center:[0, 0, 0], up:[0, 1, 0]}),
projection: Mat4.createPerspective({fovy:90, aspect:gl2.width / gl2.height, near:0.1, far:100})
});
gl2.setUniformValue(prg,'mvpMatrix',gl2.mvp.matrix);
render();
// windows resize時の処理
window.addEventListener('resize', () => {
if (gl2) {
gl2.resize();
gl2.setUniformValue(prg,'mvpMatrix',gl2.mvp.matrix);
render();
}
});
info.style.display = 'none';
// レンダリング処理
function render() {
ctx.clear(ctx.COLOR_BUFFER_BIT | ctx.DEPTH_BUFFER_BIT);
ctx.drawArrays(ctx.TRIANGLES, 0, 3);
ctx.flush();
}
// レンダリングループ
function renderLoop() {
render();
requestAnimationFrame(renderLoop); // ループ処理
}
});
// ------------------------------------------------------------------------------------------------
// mat4.js
// doxasさんのminMatrix.jsをES6バージョンに改造したもの
// https://wgld.org/d/library/l001.html
// ------------------------------------------------------------------------------------------------
class Mat4 {
constructor(m = new Float32Array(16)) {
this.matrix = m;
}
identity() {
const dest = this.matrix;
dest[0] = 1; dest[1] = 0; dest[2] = 0; dest[3] = 0;
dest[4] = 0; dest[5] = 1; dest[6] = 0; dest[7] = 0;
dest[8] = 0; dest[9] = 0; dest[10] = 1; dest[11] = 0;
dest[12] = 0; dest[13] = 0; dest[14] = 0; dest[15] = 1;
return this;
}
multiply(matrix, destMatrix = new Mat4()) {
const mat1 = this.matrix, mat2 = matrix.matrix;
const dest = destMatrix.matrix;
const a = mat1[0], b = mat1[1], c = mat1[2], d = mat1[3],
e = mat1[4], f = mat1[5], g = mat1[6], h = mat1[7],
i = mat1[8], j = mat1[9], k = mat1[10], l = mat1[11],
m = mat1[12], n = mat1[13], o = mat1[14], p = mat1[15],
A = mat2[0], B = mat2[1], C = mat2[2], D = mat2[3],
E = mat2[4], F = mat2[5], G = mat2[6], H = mat2[7],
I = mat2[8], J = mat2[9], K = mat2[10], L = mat2[11],
M = mat2[12], N = mat2[13], O = mat2[14], P = mat2[15];
dest[0] = A * a + B * e + C * i + D * m;
dest[1] = A * b + B * f + C * j + D * n;
dest[2] = A * c + B * g + C * k + D * o;
dest[3] = A * d + B * h + C * l + D * p;
dest[4] = E * a + F * e + G * i + H * m;
dest[5] = E * b + F * f + G * j + H * n;
dest[6] = E * c + F * g + G * k + H * o;
dest[7] = E * d + F * h + G * l + H * p;
dest[8] = I * a + J * e + K * i + L * m;
dest[9] = I * b + J * f + K * j + L * n;
dest[10] = I * c + J * g + K * k + L * o;
dest[11] = I * d + J * h + K * l + L * p;
dest[12] = M * a + N * e + O * i + P * m;
dest[13] = M * b + N * f + O * j + P * n;
dest[14] = M * c + N * g + O * k + P * o;
dest[15] = M * d + N * h + O * l + P * p;
return destMatrix;
};
scale(vec, destMatrix = new Mat4()) {
const mat = this.matrix;
const dest = destMatrix.matrix;
dest[0] = mat[0] * vec[0];
dest[1] = mat[1] * vec[0];
dest[2] = mat[2] * vec[0];
dest[3] = mat[3] * vec[0];
dest[4] = mat[4] * vec[1];
dest[5] = mat[5] * vec[1];
dest[6] = mat[6] * vec[1];
dest[7] = mat[7] * vec[1];
dest[8] = mat[8] * vec[2];
dest[9] = mat[9] * vec[2];
dest[10] = mat[10] * vec[2];
dest[11] = mat[11] * vec[2];
dest[12] = mat[12];
dest[13] = mat[13];
dest[14] = mat[14];
dest[15] = mat[15];
return destMatrix;
};
translate(vec, destMatrix = new Mat4()) {
const mat = this.matrix;
const dest = destMatrix.matrix;
dest[0] = mat[0]; dest[1] = mat[1]; dest[2] = mat[2]; dest[3] = mat[3];
dest[4] = mat[4]; dest[5] = mat[5]; dest[6] = mat[6]; dest[7] = mat[7];
dest[8] = mat[8]; dest[9] = mat[9]; dest[10] = mat[10]; dest[11] = mat[11];
dest[12] = mat[0] * vec[0] + mat[4] * vec[1] + mat[8] * vec[2] + mat[12];
dest[13] = mat[1] * vec[0] + mat[5] * vec[1] + mat[9] * vec[2] + mat[13];
dest[14] = mat[2] * vec[0] + mat[6] * vec[1] + mat[10] * vec[2] + mat[14];
dest[15] = mat[3] * vec[0] + mat[7] * vec[1] + mat[11] * vec[2] + mat[15];
return destMatrix;
};
rotate(angle, axis, destMatrix = new Mat4()) {
const dest = destMatrix.matrix;
const mat = this.matrix;
var sq = Math.sqrt(axis[0] * axis[0] + axis[1] * axis[1] + axis[2] * axis[2]);
if (!sq) { return null; }
var a = axis[0], b = axis[1], c = axis[2];
if (sq != 1) { sq = 1 / sq; a *= sq; b *= sq; c *= sq; }
var d = Math.sin(angle), e = Math.cos(angle), f = 1 - e,
g = mat[0], h = mat[1], i = mat[2], j = mat[3],
k = mat[4], l = mat[5], m = mat[6], n = mat[7],
o = mat[8], p = mat[9], q = mat[10], r = mat[11],
s = a * a * f + e,
t = b * a * f + c * d,
u = c * a * f - b * d,
v = a * b * f - c * d,
w = b * b * f + e,
x = c * b * f + a * d,
y = a * c * f + b * d,
z = b * c * f - a * d,
A = c * c * f + e;
if (angle) {
if (mat != dest) {
dest[12] = mat[12]; dest[13] = mat[13];
dest[14] = mat[14]; dest[15] = mat[15];
}
} else {
dest = mat;
}
dest[0] = g * s + k * t + o * u;
dest[1] = h * s + l * t + p * u;
dest[2] = i * s + m * t + q * u;
dest[3] = j * s + n * t + r * u;
dest[4] = g * v + k * w + o * x;
dest[5] = h * v + l * w + p * x;
dest[6] = i * v + m * w + q * x;
dest[7] = j * v + n * w + r * x;
dest[8] = g * y + k * z + o * A;
dest[9] = h * y + l * z + p * A;
dest[10] = i * y + m * z + q * A;
dest[11] = j * y + n * z + r * A;
return destMatrix;
};
static createLookAt({eye, center, up, destMatrix = new Mat4()}) {
const dest = destMatrix.matrix;
const eyeX = eye[0], eyeY = eye[1], eyeZ = eye[2],
upX = up[0], upY = up[1], upZ = up[2],
centerX = center[0], centerY = center[1], centerZ = center[2];
if (eyeX == centerX && eyeY == centerY && eyeZ == centerZ)
{
return destMatrix.identity();
}
let x0, x1, x2, y0, y1, y2, z0, z1, z2, l;
z0 = eyeX - center[0];
z1 = eyeY - center[1];
z2 = eyeZ - center[2];
l = 1 / Math.sqrt(z0 * z0 + z1 * z1 + z2 * z2);
z0 *= l; z1 *= l; z2 *= l;
x0 = upY * z2 - upZ * z1;
x1 = upZ * z0 - upX * z2;
x2 = upX * z1 - upY * z0;
l = Math.sqrt(x0 * x0 + x1 * x1 + x2 * x2);
if (!l) {
x0 = 0; x1 = 0; x2 = 0;
} else {
l = 1 / l;
x0 *= l; x1 *= l; x2 *= l;
}
y0 = z1 * x2 - z2 * x1; y1 = z2 * x0 - z0 * x2; y2 = z0 * x1 - z1 * x0;
l = Math.sqrt(y0 * y0 + y1 * y1 + y2 * y2);
if (!l) {
y0 = 0; y1 = 0; y2 = 0;
} else {
l = 1 / l;
y0 *= l; y1 *= l; y2 *= l;
}
dest[0] = x0; dest[1] = y0; dest[2] = z0; dest[3] = 0;
dest[4] = x1; dest[5] = y1; dest[6] = z1; dest[7] = 0;
dest[8] = x2; dest[9] = y2; dest[10] = z2; dest[11] = 0;
dest[12] = -(x0 * eyeX + x1 * eyeY + x2 * eyeZ);
dest[13] = -(y0 * eyeX + y1 * eyeY + y2 * eyeZ);
dest[14] = -(z0 * eyeX + z1 * eyeY + z2 * eyeZ);
dest[15] = 1;
return destMatrix;
};
static createPerspective({fovy, aspect, near, far, destMatrix = new Mat4()}) {
const dest = destMatrix.matrix;
const t = near * Math.tan(fovy * Math.PI / 360);
const r = t * aspect;
const a = r * 2, b = t * 2, c = far - near;
dest[0] = near * 2 / a;
dest[1] = 0;
dest[2] = 0;
dest[3] = 0;
dest[4] = 0;
dest[5] = near * 2 / b;
dest[6] = 0;
dest[7] = 0;
dest[8] = 0;
dest[9] = 0;
dest[10] = -(far + near) / c;
dest[11] = -1;
dest[12] = 0;
dest[13] = 0;
dest[14] = -(far * near * 2) / c;
dest[15] = 0;
return destMatrix;
};
transpose(destMatrix = new Mat4()) {
const mat = this.matrix;
const dest = destMatrix.matrix;
dest[0] = mat[0]; dest[1] = mat[4];
dest[2] = mat[8]; dest[3] = mat[12];
dest[4] = mat[1]; dest[5] = mat[5];
dest[6] = mat[9]; dest[7] = mat[13];
dest[8] = mat[2]; dest[9] = mat[6];
dest[10] = mat[10]; dest[11] = mat[14];
dest[12] = mat[3]; dest[13] = mat[7];
dest[14] = mat[11]; dest[15] = mat[15];
return destMatrix;
};
inverse(destMatrix = new Mat4()) {
const dest = destMatrix.matrix;
const mat = this.matrix;
const a = mat[0], b = mat[1], c = mat[2], d = mat[3],
e = mat[4], f = mat[5], g = mat[6], h = mat[7],
i = mat[8], j = mat[9], k = mat[10], l = mat[11],
m = mat[12], n = mat[13], o = mat[14], p = mat[15],
q = a * f - b * e, r = a * g - c * e,
s = a * h - d * e, t = b * g - c * f,
u = b * h - d * f, v = c * h - d * g,
w = i * n - j * m, x = i * o - k * m,
y = i * p - l * m, z = j * o - k * n,
A = j * p - l * n, B = k * p - l * o,
ivd = 1 / (q * B - r * A + s * z + t * y - u * x + v * w);
dest[0] = (f * B - g * A + h * z) * ivd;
dest[1] = (-b * B + c * A - d * z) * ivd;
dest[2] = (n * v - o * u + p * t) * ivd;
dest[3] = (-j * v + k * u - l * t) * ivd;
dest[4] = (-e * B + g * y - h * x) * ivd;
dest[5] = (a * B - c * y + d * x) * ivd;
dest[6] = (-m * v + o * s - p * r) * ivd;
dest[7] = (i * v - k * s + l * r) * ivd;
dest[8] = (e * A - f * y + h * w) * ivd;
dest[9] = (-a * A + b * y - d * w) * ivd;
dest[10] = (m * u - n * s + p * q) * ivd;
dest[11] = (-i * u + j * s - l * q) * ivd;
dest[12] = (-e * z + f * x - g * w) * ivd;
dest[13] = (a * z - b * x + c * w) * ivd;
dest[14] = (-m * t + n * r - o * q) * ivd;
dest[15] = (i * t - j * r + k * q) * ivd;
return destMatrix;
};
}
export default Mat4;
## WebGL2の学習
wgld.orgのソースコードをWebGL2ベースに書き換えてみる
まずは三角形を描画してみる。
/dev/webgl2/0001/rollup.config.js
// rollup.config.js
export default {
entry: 'main.js',
format:'iife',
dest: 'bundle.js' // equivalent to --output
};