#yyds干货盘点#前端不同的渲染技术的区别和联系

前端可用的渲染技术有 html + css、canvas、svg、webgl,我们会综合运用这些技术来绘制页面。有没有想过这些技术有什么区别和联系,它们和图形学有什么关系呢?

本文我们就来谈一下网页渲染技术的计算机理论基础。

渲染的理论基础

人眼的视网膜有视觉暂留机制,也就是看到的图像会继续保留 0.1s 左右,图形界面就是根据这个原理来设计的一帧一帧刷新的机制,要保证 1s 至少要渲染 10 帧,这样人眼看到画面才是连续的。

每帧显示的都是图像,它是由像素组成的,是显示的基本单位。不同显示器实现像素的原理不同。

我们要绘制的目标是矩形、圆形、椭圆、曲线等各种图形,绘制完之后要把它们转成图像。图形的绘制有一系列的理论,比如贝塞尔曲线是画曲线的理论。图形转图像的过程叫做光栅化。这些图形的绘制和光栅化的过程,都是图形学研究的内容。

图形可能做缩放、平移、旋转等变化,这些是通过矩阵计算来实现的,也是图形学的内容。

除了 2D 的图形外,还要绘制 3D 的图形。3D 的原理是把一个个三维坐标的顶点连起来,构成一个一个三角形,这是造型的过程。之后再把每一个三角形的面贴上图,叫做纹理。这样组成的就是一个 3D 图形,也叫 3D 模型。

3D 图形也同样需要经历光栅化变成二维的图像,然后显示出来。这种三维图形的光栅化需要找一个角度去观察,就像拍照一样,所以一般把这个概念叫做相机。

同时,为了 3D 图形更真实,还引入了光线的概念,也就是一束光照过来,3D 图形的每个面都会有什么变化,怎么反射等。不同材质的物体反射的方式不同,比如漫反射、镜面反射等,也就有不同的计算公式。一束光会照射到一些物体,到物体的反射,这个过程需要一系列跟踪的计算,叫做光线追踪技术。

我们也能感受出来,3D 图形的计算量比 2D 图形大太多了,用 CPU 计算很可能达不到 1s 大于 10 帧,所以后面出现了专门用于 3D 渲染加速的硬件,叫做 GPU。它是专门用于这种并行计算的,可以批量计算一堆顶点、一堆三角形、一堆像素的光栅化,这个渲染流程叫做渲染管线。

现在的渲染管线都是可编程的,也就是可以控制顶点的位置,每个三角形的着色,这两种分别叫做顶点着色器(shader)、片元着色器。

总之,2D 或 3D 的图形经过绘制和光栅化就变成了一帧帧的图像显示出来。

变成图像之后其实还可以做一些图像处理,比如灰度、反色、高斯模糊等各种滤镜的实现。

所以,前端的渲染技术的理论基础是计算机图形学 + 图像处理。

不同的渲染技术的区别和联系

具体到前前端的渲染技术来说,html+css、svg、canvas、webgl 都是用于图形和图像渲染的技术,但是它们各有侧重:

html + css

html + css 是用于图文布局的,也就是计算文字、图片、视频等的显示位置。它提供了很多计算规则,比如流式布局很适合做图文排版,弹性布局易于做自适应的布局等。但是它不适合做更灵活的图形绘制,这时就要用其他几种技术了。

canvas

canvas 是给定一块画布区域,在不同的位置画图形和图像,它没有布局规则,所以很灵活,常用来做可视化或者游戏的开发。但是 canvas 并不会保留绘制的图形的信息,生成的图像只能显示在固定的区域,当显示区域变大的时候,它不能跟随一起放缩,就会失真,如果有放缩不失真的需求就要用其他渲染技术了。

svg

svg 会在内存中保留绘制的图形的信息,显示区域变化后会重新计算,是一个矢量图,常用于 icon、字体等的绘制。

webgl

上面的 3 种技术都是用于 2D 的图形图像的绘制,如果想绘制 3D 的内容,就要用 webgl 了。它提供了绘制 3D 图形的 api,比如通过顶点构成 3D 的模型,给每一个面贴图,设置光源,然后光栅化成图像等的 api。它常用于通过 3D 内容增强网站的交互效果,3D 的可视化,3D 游戏等,再就是虚拟现实中的 3D 交互。

所以,虽然前端渲染技术的底层原理都是图形学 + 图像处理,但上层提供的 4 种渲染技术各有侧重点。

不过,它们还是有很多相同的地方的:

  • 位置、大小等的变化都是通过矩阵的计算
  • 都要经过图形转图像,也就是光栅化的过程
  • 都支持对图像做进一步处理,比如各种滤镜
  • html + css 渲染会分不同图层分别做计算,canvas 也会根据计算量分成不同的 canvas 来做计算

因为他们底层的图形学原理还是一致的。

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