WebGL 文本 使用字符紋理

WebGL 文本 使用字符紋理

在上一篇文章中我們復(fù)習(xí)了在 WebGL 場(chǎng)景中如何使用紋理繪制文本。技術(shù)是很常見的，對(duì)一些事物也是極重要的，例如在多人游戲中你想在一個(gè)頭像上放置一個(gè)名字。同時(shí)這個(gè)名字也不能影響它的完美性。

比方說你想呈現(xiàn)大量的文本，這需要經(jīng)常改變 UI 之類的事物。前一篇文章給出的最后一個(gè)例子中，一個(gè)明顯的解決方案是給每個(gè)字母加紋理。我們來嘗試一下改變上一個(gè)例子。

var names = [
  "anna",   // 0
  "colin",  // 1
  "james",  // 2
  "danny",  // 3
  "kalin",  // 4
  "hiro",   // 5
  "eddie",  // 6
  "shu",// 7
  "brian",  // 8
  "tami",   // 9
  "rick",   // 10
  "gene",   // 11
  "natalie",// 12,
  "evan",   // 13,
  "sakura", // 14,
  "kai",// 15,
];

// create text textures, one for each letter
var textTextures = [
  "a",// 0
  "b",// 1
  "c",// 2
  "d",// 3
  "e",// 4
  "f",// 5
  "g",// 6
  "h",// 7
  "i",// 8
  "j",// 9
  "k",// 10
  "l",// 11
  "m",// 12,
  "n",// 13,
  "o",// 14,
  "p",// 14,
  "q",// 14,
  "r",// 14,
  "s",// 14,
  "t",// 14,
  "u",// 14,
  "v",// 14,
  "w",// 14,
  "x",// 14,
  "y",// 14,
  "z",// 14,
].map(function(name) {
  var textCanvas = makeTextCanvas(name, 10, 26);

相對(duì)于為每個(gè)名字呈現(xiàn)一個(gè)四元組，我們將為每個(gè)名字的每個(gè)字母呈現(xiàn)一個(gè)四元組。

// setup to draw the text.
// Because every letter uses the same attributes and the same progarm
// we only need to do this once.
gl.useProgram(textProgramInfo.program);
setBuffersAndAttributes(gl, textProgramInfo.attribSetters, textBufferInfo);

textPositions.forEach(function(pos, ndx) {
  var name = names[ndx];
  // for each leter
  for (var ii = 0; ii < name.length; ++ii) {
var letter = name.charCodeAt(ii);
var letterNdx = letter - "a".charCodeAt(0);
// select a letter texture
var tex = textTextures[letterNdx];

// use just the position of the 'F' for the text

// because pos is in view space that means it's a vector from the eye to
// some position. So translate along that vector back toward the eye some distance
var fromEye = normalize(pos);
var amountToMoveTowardEye = 150;  // because the F is 150 units long
var viewX = pos[0] - fromEye[0] * amountToMoveTowardEye;
var viewY = pos[1] - fromEye[1] * amountToMoveTowardEye;
var viewZ = pos[2] - fromEye[2] * amountToMoveTowardEye;
var desiredTextScale = -1 / gl.canvas.height;  // 1x1 pixels
var scale = viewZ * desiredTextScale;

var textMatrix = makeIdentity();
textMatrix = matrixMultiply(textMatrix, makeTranslation(ii, 0, 0));
textMatrix = matrixMultiply(textMatrix, makeScale(tex.width * scale, tex.height * scale, 1));
textMatrix = matrixMultiply(textMatrix, makeTranslation(viewX, viewY, viewZ));
textMatrix = matrixMultiply(textMatrix, projectionMatrix);

// set texture uniform
textUniforms.u_texture = tex.texture;
copyMatrix(textMatrix, textUniforms.u_matrix);
setUniforms(textProgramInfo.uniformSetters, textUniforms);

// Draw the text.
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, textBufferInfo.numElements, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);
  }
});

你可以看到它是如何工作的：

不幸的是它很慢。下面的例子：單獨(dú)繪制 73 個(gè)四元組，還看不出來差別。我們計(jì)算 73 個(gè)矩陣和 292 個(gè)矩陣倍數(shù)。一個(gè)典型的 UI 可能有 1000 個(gè)字母要顯示。這是眾多工作可以得到一個(gè)合理的幀速率的方式。

解決這個(gè)問題通常的方法是構(gòu)造一個(gè)紋理圖譜，其中包含所有的字母。我們討論給立方體的 6 面加紋理時(shí)，復(fù)習(xí)了紋理圖譜。

下面的代碼構(gòu)造了字符的紋理圖譜。

function makeGlyphCanvas(ctx, maxWidthOfTexture, heightOfLetters, baseLine, padding, letters) {
  var rows = 1;  // number of rows of glyphs
  var x = 0; // x position in texture to draw next glyph
  var y = 0; // y position in texture to draw next glyph
  var glyphInfos = { // info for each glyph
  };

  // Go through each letter, measure it, remember its width and position
  for (var ii = 0; ii < letters.length; ++ii) {
var letter = letters[ii];
var t = ctx.measureText(letter);
// Will this letter fit on this row?
if (x + t.width + padding > maxWidthOfTexture) {
   // so move to the start of the next row
   x = 0;
   y += heightOfLetters;
   ++rows;
}
// Remember the data for this letter
glyphInfos[letter] = {
  x: x,
  y: y,
  width: t.width,
};
// advance to space for next letter.
x += t.width + padding;
  }

  // Now that we know the size we need set the size of the canvas
  // We have to save the canvas settings because changing the size
  // of a canvas resets all the settings
  var settings = saveProperties(ctx);
  ctx.canvas.width = (rows == 1) ? x : maxWidthOfTexture;
  ctx.canvas.height = rows * heightOfLetters;
  restoreProperties(settings, ctx);

  // Draw the letters into the canvas
  for (var ii = 0; ii < letters.length; ++ii) {
var letter = letters[ii];
var glyphInfo = glyphInfos[letter];
var t = ctx.fillText(letter, glyphInfo.x, glyphInfo.y + baseLine);
  }

  return glyphInfos;
}

現(xiàn)在我們?cè)囋嚳矗?/p>

var ctx = document.createElement("canvas").getContext("2d");
ctx.font = "20px sans-serif";
ctx.fillStyle = "white";
var maxTextureWidth = 256;
var letterHeight = 22;
var baseline = 16;
var padding = 1;
var letters = "0123456789.abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
var glyphInfos = makeGlyphCanvas(
ctx,
maxTextureWidth,
letterHeight,
baseline,
padding,
letters);

結(jié)果如下

現(xiàn)在，我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)我們需要使用的字符紋理?？纯葱Ч鯓?，我們?yōu)槊總€(gè)字符建四個(gè)頂點(diǎn)。這些頂點(diǎn)將使用紋理坐標(biāo)來選擇特殊的字符。

給定一個(gè)字符串，來建立頂點(diǎn)：

function makeVerticesForString(fontInfo, s) {
  var len = s.length;
  var numVertices = len * 6;
  var positions = new Float32Array(numVertices * 2);
  var texcoords = new Float32Array(numVertices * 2);
  var offset = 0;
  var x = 0;
  for (var ii = 0; ii < len; ++ii) {
var letter = s[ii];
var glyphInfo = fontInfo.glyphInfos[letter];
if (glyphInfo) {
  var x2 = x + glyphInfo.width;
  var u1 = glyphInfo.x / fontInfo.textureWidth;
  var v1 = (glyphInfo.y + fontInfo.letterHeight) / fontInfo.textureHeight;
  var u2 = (glyphInfo.x + glyphInfo.width) / fontInfo.textureWidth;
  var v2 = glyphInfo.y / fontInfo.textureHeight;

  // 6 vertices per letter
  positions[offset + 0] = x;
  positions[offset + 1] = 0;
  texcoords[offset + 0] = u1;
  texcoords[offset + 1] = v1;

  positions[offset + 2] = x2;
  positions[offset + 3] = 0;
  texcoords[offset + 2] = u2;
  texcoords[offset + 3] = v1;

  positions[offset + 4] = x;
  positions[offset + 5] = fontInfo.letterHeight;
  texcoords[offset + 4] = u1;
  texcoords[offset + 5] = v2;

  positions[offset + 6] = x;
  positions[offset + 7] = fontInfo.letterHeight;
  texcoords[offset + 6] = u1;
  texcoords[offset + 7] = v2;

  positions[offset + 8] = x2;
  positions[offset + 9] = 0;
  texcoords[offset + 8] = u2;
  texcoords[offset + 9] = v1;

  positions[offset + 10] = x2;
  positions[offset + 11] = fontInfo.letterHeight;
  texcoords[offset + 10] = u2;
  texcoords[offset + 11] = v2;

  x += glyphInfo.width;
  offset += 12;
} else {
  // we don't have this character so just advance
  x += fontInfo.spaceWidth;
}
  }

  // return ArrayBufferViews for the portion of the TypedArrays
  // that were actually used.
  return {
arrays: {
  position: new Float32Array(positions.buffer, 0, offset),
  texcoord: new Float32Array(texcoords.buffer, 0, offset),
},
numVertices: offset / 2,
  };
}

為了使用它，我們手動(dòng)創(chuàng)建一個(gè) bufferInfo。

// Maunally create a bufferInfo
var textBufferInfo = {
  attribs: {
a_position: { buffer: gl.createBuffer(), numComponents: 2, },
a_texcoord: { buffer: gl.createBuffer(), numComponents: 2, },
  },
  numElements: 0,
};

使用 bufferInfo 中的字符創(chuàng)建畫布的 fontInfo 和紋理：

var ctx = document.createElement("canvas").getContext("2d");
ctx.font = "20px sans-serif";
ctx.fillStyle = "white";
var maxTextureWidth = 256;
var letterHeight = 22;
var baseline = 16;
var padding = 1;
var letters = "0123456789.,abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
var glyphInfos = makeGlyphCanvas(
ctx,
maxTextureWidth,
letterHeight,
baseline,
padding,
letters);
var fontInfo = {
  glyphInfos: glyphInfos,
  letterHeight: letterHeight,
  baseline: baseline,
  spaceWidth: 5,
  textureWidth: ctx.canvas.width,
  textureHeight: ctx.canvas.height,
};

然后渲染我們將更新緩沖的文本。我們也可以構(gòu)成動(dòng)態(tài)的文本：

textPositions.forEach(function(pos, ndx) {

  var name = names[ndx];
  var s = name + ":" + pos[0].toFixed(0) + "," + pos[1].toFixed(0) + "," + pos[2].toFixed(0);
  var vertices = makeVerticesForString(fontInfo, s);

  // update the buffers
  textBufferInfo.attribs.a_position.numComponents = 2;
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, textBufferInfo.attribs.a_position.buffer);
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices.arrays.position, gl.DYNAMIC_DRAW);
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, textBufferInfo.attribs.a_texcoord.buffer);
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices.arrays.texcoord, gl.DYNAMIC_DRAW);

  setBuffersAndAttributes(gl, textProgramInfo.attribSetters, textBufferInfo);

  // use just the position of the 'F' for the text
  var textMatrix = makeIdentity();
  // because pos is in view space that means it's a vector from the eye to
  // some position. So translate along that vector back toward the eye some distance
  var fromEye = normalize(pos);
  var amountToMoveTowardEye = 150;  // because the F is 150 units long
  textMatrix = matrixMultiply(textMatrix, makeTranslation(
  pos[0] - fromEye[0] * amountToMoveTowardEye,
  pos[1] - fromEye[1] * amountToMoveTowardEye,
  pos[2] - fromEye[2] * amountToMoveTowardEye));
  textMatrix = matrixMultiply(textMatrix, projectionMatrix);

  // set texture uniform
  copyMatrix(textMatrix, textUniforms.u_matrix);
  setUniforms(textProgramInfo.uniformSetters, textUniforms);

  // Draw the text.
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, vertices.numVertices);
});

即：

這是使用字符紋理集的基本技術(shù)。可以添加一些明顯的東西或方式來改進(jìn)它。

• 重用相同的數(shù)組。
  目前，每次被調(diào)用時(shí)，makeVerticesForString 就會(huì)分配新的 32 位浮點(diǎn)型數(shù)組。這最終可能會(huì)導(dǎo)致垃圾收集出現(xiàn)問題。重用相同的數(shù)組可能會(huì)更好。如果不是足夠大，你也放大數(shù)組，但是保留原來的大小。
• 添加支持回車
  當(dāng)生成頂點(diǎn)時(shí)，檢查 \n 是否存在從而實(shí)現(xiàn)換行。這將使文本分隔段落更容易。
• 添加對(duì)各種格式的支持。
  如果你想文本居中，或調(diào)整你添加的一切文本的格式。
• 添加對(duì)頂點(diǎn)顏色的支持。
  你可以為文本的每個(gè)字母添加不同的顏色。當(dāng)然你必須決定如何指定何時(shí)改變顏色。

這里不打算涉及的另一個(gè)大問題是：紋理大小有限，但字體實(shí)際上是無限的。如果你想支持所有的 unicode，你就必須處理漢語、日語和阿拉伯語等其他所有語言，2015 年在 unicode 有超過 110000 個(gè)符號(hào)！你不可能在紋理中適配所有這些，也沒有足夠的空間供你這樣做。

操作系統(tǒng)和瀏覽器 GPU 加速處理這個(gè)問題的方式是：通過使用一個(gè)字符紋理緩存實(shí)現(xiàn)。上面的實(shí)現(xiàn)他們是把紋理處理成紋理集，但他們?yōu)槊總€(gè) glpyh 布置一個(gè)固定大小的區(qū)域，保留紋理集中最近使用的符號(hào)。如果需要繪制一個(gè)字符，而這個(gè)字符不在紋理集中，他們就用他們需要的這個(gè)新的字符取代最近最少使用的一個(gè)。當(dāng)然如果他們即將取代的字符仍被有待繪制的四元組引用，他們需要繪制他們之前所取代的字符。

雖然我不推薦它，但是還有另一件事你可以做，將這項(xiàng)技術(shù)和以前的技術(shù)結(jié)合在一起。你可以直接渲染另一種紋理的符號(hào)。當(dāng)然 GPU 加速畫布已經(jīng)這樣做了，你可能沒有自己動(dòng)手的理由。

另一種在 WebGL 中繪制文本的方法實(shí)際上是使用了 3D 文本。在上面所有的例子中 “F” 是一個(gè) 3D 的字母。你已經(jīng)為每個(gè)字母都構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的 3D 字符。3D 字母常見于標(biāo)題和電影標(biāo)志，此外的用處就少了。