WebGL建構網頁中的3D遊戲 從基礎渲染原理、光影到應用

序

讀者你好！感謝你閱讀這本書，如果想學習如何製作一個網頁中的 3D 遊戲，又或者想了解 GPU 繪圖的相關原理，WebGL 讓我們可以在 Web 這樣通用且功能豐富的平台上進行入門，本書將從一個三角形開始出發，一步一步做出範例的方式，並搭配過程中每步原理的說明，與讀者分享 WebGL 的來龍去脈、使用方式以及心得，最後製作出一款在網頁中運作的 3D 小遊戲！

筆者從事網站開發多年，其中對於『使用者互動』、『有畫面』的程式設計特別有興趣，工作上也因此經常使用前端技術進行開發，後來因為在網站中撰寫遊戲，而遊戲中會讓人第一個想到、也是能在第一瞬間吸引人的就是畫面了，畢竟本來就對前端的生態系熟悉，也就順勢從 WebGL 開始進行研究，也於 2021 iThome 鐵人賽撰寫一系列 WebGL 的技術文章與網友們分享研究的結果，本書內容即為此鐵人系列文章的改良，並擴寫加入延伸互動引導讀者繼續製作成小遊戲。

如果讀者同樣身為前端或全端開發者，對於 Web 生態系最核心的 Javascript 有一定的掌握，同時也知道一些 Web API、HTML 以及 CSS 的使用，能夠製作一個有前端互動的網頁（無論是否使用工具、框架），那麼你就已經具備閱讀本書所需的基礎知識，讓本書幫助你再獲得一項技能吧！

WebGL 是啥？為何是 WebGL？

簡單來說，WebGL 是一組在 Web 上操作 GPU 的 Javascript API，而 WebGL 絕大部分的 API 都可以找到 openGL 上對應的版本，且名字幾乎沒有差別，猜測制定 WebGL 標準時只打算做一層薄薄的包裝，這樣一方面瀏覽器可能比較好實做，但是也因此 WebGL 直接使用時是非常底層的，甚至偶爾會需要去算線性代數、矩陣的東西。

看到這邊讀者們可能會想說：『哇，我要來洗洗睡了。』老實說，如果對於基礎原理沒有興趣，想要『快速』做出東西，這邊確實可以左轉 three.js 或是 babylon.js 這種高階的 3D 渲染引擎，筆者是基於下面這個因素決定研究 WebGL 的：

當你了解其原理時，比較不容易受到框架、潮流演進的影響

為什麼？在了解原理的狀況下，比較能知道框架幫你做了什麼，遇到變化比較大的需求的時候可能比較容易想到方法應對；前端技術更迭速度大家都知道，但是基礎原理是不會有太大的變化的，現今渲染技術除了 openGL 之外還有 Apple 的 Metal、微軟的 DirectX 甚至更新更潮的 Vulkan，相信透過 WebGL 學到的原理多多少少也能應用在其他平台上吧。

WebGL2 以及其相容性

WebGL 有兩個版本：WebGL 以及 WebGL2，WebGL 第一版（本書中接下來會以 WebGL1 來強調是第一版）的標準中有一些綁手綁腳的限制，例如在 WebGL 中渲染時啟用自動縮放的圖樣（Texture）長寬必須是 2 的次方；甚至缺少一些實務上需要的功能，雖然有些可以透過非標準的 WebGL extension 彌補（此 extension 並非指瀏覽器擴充套件，在後續的章節中將會提到），但是就是會多出一些不方便的限制，因此 WebGL2 標準的出現就是將第一版的缺失補起來；在筆者撰文當下，WebGL2 在 Chrome、Firefox、Safari、Edge 等瀏覽器的最新版都有支援，行動裝置的部份，Android Chrome 最新版以及 iOS 15 以後的 Safari（iPhone 6s 以上能安裝 iOS 15）也都能使用 WebGL2，詳細的支援情況可以參考此網頁：caniuse.com/webgl2

因為主流瀏覽器都已經支援，本書接下來的說明以及範例都將以 WebGL2 為主，不過遇到使用之功能在 WebGL 第一版有差異時也會稍微提一下讓讀者們知道。

序

讀者你好！感謝你閱讀這本書，如果想學習如何製作一個網頁中的 3D 遊戲，又或者想了解 GPU 繪圖的相關原理，WebGL 讓我們可以在 Web 這樣通用且功能豐富的平台上進行入門，本書將從一個三角形開始出發，一步一步做出範例的方式，並搭配過程中每步原理的說明，與讀者分享 WebGL 的來龍去脈、使用方式以及心得，最後製作出一款在網頁中運作的 3D 小遊戲！

筆者從事網站開發多年，其中對於『使用者互動』、『有畫面』的程式設計特別有興趣，工作上也因此經常使用前端技術進行開發，後來因為在網站中撰寫遊戲，而遊戲中會讓人第一個想...

1 - Hello WebGL
1-1 準備開發環境
1-2 畫一個三角形（上）
1-3 畫一個三角形（下）
1-4 Uniform – shader 之參數
1-5 畫多個三角形
1-6 Varying – fragment shader 之資料

2 - Texture & 2D
2-1 在 WebGL 取用、顯示圖片 – Textures
2-2 Texture 使用上的細節
2-3 互動 & 動畫
2-4 2D Transform
2-5 2D transform Continued

3 - 3D & 物件
3-1 Orthogonal 3D 投影
3-2 Perspective 3D 成像
3-3 視角 Transform
3-4 使相機看著目標
3-5 渲染多個物件

4 - Lighting
4-1 法向量（Normals）與散射光（Diffuse）
4-2 Indexed Element
4-3 請 TWGL 替程式碼減肥
4-4 Specular 反射光
4-5 點光源與自發光
4-6 Normal Map

5 - Framebuffer & 陰影
5-1 Framebuffer 是什麼？
5-2 鏡面效果
5-3 陰影—拍攝深度資訊
5-4 陰影—深度 Framebuffer 與 Texture
5-5 陰影—計算是否產生陰影
5-6 毛玻璃效果—使用 Normal Map 的鏡面

6 - 帆船與海
6-1 主角『帆船』— obj 3D 模型檔案的讀取與繪製
6-2 Skybox
6-3 半透明的文字看板
6-4 使用 Shader 即時渲染波光粼粼的海面

7 - Catch The Wind 小遊戲
7-1 地形高度圖的產生
7-2 依照地形高度圖繪製島嶼
7-3 Set Sail! 航行帆船
7-4 遊戲標題與 UI
7-5 碰撞島嶼判定、結束遊戲
7-6 結語

1 - Hello WebGL
1-1 準備開發環境
1-2 畫一個三角形（上）
1-3 畫一個三角形（下）
1-4 Uniform – shader 之參數
1-5 畫多個三角形
1-6 Varying – fragment shader 之資料

2 - Texture & 2D
2-1 在 WebGL 取用、顯示圖片 – Textures
2-2 Texture 使用上的細節
2-3 互動 & 動畫
2-4 2D Transform
2-5 2D transform Continued

3 - 3D & 物件
3-1 Orthogonal 3D 投影
3-2 Perspective 3D 成像
3-3 視角 Transform
3-4 使相機看著目標
3-5 渲染多個物件

4 - Lighting
4-1 法向量（Normals）與散射光（Diffus...