在 Emscripten 中绘制到画布

了解如何使用 Emscripten 在 WebAssembly 中渲染 Web 上的 2D 图形。

Ingvar Stepanyan

不同的操作系统具有不同的用于绘制图形的 API。在编写跨平台代码或将图形从一个系统移植到另一个系统（包括将原生代码移植到 WebAssembly）时，这些差异会更加令人困惑。

在本文中，您将学习几种方法，了解如何使用使用 Emscripten 编译的 C 或 C++ 代码将 2D 图形绘制到 Web 上的画布元素。

通过 Embind 使用画布

如果您要开始一个新项目，而不是尝试移植现有项目，最简单的方法可能是通过 Emscripten 的绑定系统 Embind 使用 HTML Canvas API。借助 Embind，您可以直接对任意 JavaScript 值进行操作。

如需了解如何使用 Embind，请先查看 MDN 中的以下示例，该示例会查找 <canvas> 元素，并在其上绘制一些形状

const canvas = document.getElementById('canvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');

ctx.fillStyle = 'green';
ctx.fillRect(10, 10, 150, 100);

下面展示了如何使用 Embind 将其转写为 C++：

#include <emscripten/val.h>

using emscripten::val;

// Use thread_local when you want to retrieve & cache a global JS variable once per thread.
thread_local const val document = val::global("document");

// …

int main() {
  val canvas = document.call<val>("getElementById", "canvas");
  val ctx = canvas.call<val>("getContext", "2d");
  ctx.set("fillStyle", "green");
  ctx.call<void>("fillRect", 10, 10, 150, 100);
}

链接此代码时，请务必传递 --bind 以启用 Embind：

emcc --bind example.cpp -o example.html

然后，您可以使用静态服务器提供已编译的资源，并在浏览器中加载该示例：

选择画布元素

将 Emscripten 生成的 HTML 壳与上述 shell 命令搭配使用时，系统会为您添加并设置画布。这样可以更轻松地构建简单的演示和示例，但在大型应用中，您需要将 Emscripten 生成的 JavaScript 和 WebAssembly 添加到您自行设计的 HTML 网页中。

生成的 JavaScript 代码预计会找到存储在 Module.canvas 属性中的画布元素。与其他模块属性一样，此属性可以在初始化期间设置。

如果您使用的是 ES6 模式（将输出设置为扩展名为 .mjs 的路径或使用 -s EXPORT_ES6 设置），则可以按如下方式传递画布：

import initModule from './emscripten-generated.mjs';

const Module = await initModule({
  canvas: document.getElementById('my-canvas')
});

如果您使用的是常规脚本输出，则需要先声明 Module 对象，然后才能加载 Emscripten 生成的 JavaScript 文件：

<script>
var Module = {
  canvas: document.getElementById('my-canvas')
};
</script>
<script src="emscripten-generated.js"></script>

OpenGL 和 SDL2

OpenGL 是一款广受欢迎的计算机图形跨平台 API。在 Emscripten 中使用时，它会负责将支持的 OpenGL 操作子集转换为 WebGL。如果您的应用依赖于 OpenGL ES 2.0 或 3.0 中支持但 WebGL 不支持的功能，Emscripten 也可以负责模拟这些功能，但您需要通过相应的设置选择启用。

您可以直接使用 OpenGL，也可以通过更高级别的 2D 和 3D 图形库使用 OpenGL。其中有几个已使用 Emscripten 移植到 Web 平台。在本文中，我将重点介绍 2D 图形，而对于此类图形，SDL2 目前是首选库，因为它经过了充分的测试，并且支持官方上游的 Emscripten 后端。

绘制矩形

官方网站上的“关于 SDL”部分显示：

Simple DirectMedia Layer 是一个跨平台开发库，旨在通过 OpenGL 和 Direct3D 提供对音频、键盘、鼠标、操纵杆和图形硬件的低级访问权限。

所有这些功能（控制音频、键盘、鼠标和图形）都已移植，并且可在 Web 上与 Emscripten 搭配使用，因此您可以轻松移植使用 SDL2 构建的整个游戏。如果您要移植现有项目，请参阅 Emscripten 文档的“与构建系统集成”部分。

为简单起见，在本文中，我将重点介绍单文件用例，并将前面的矩形示例转换为 SDL2：

#include <SDL2/SDL.h>

int main() {
  // Initialize SDL graphics subsystem.
  SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO);

  // Initialize a 300x300 window and a renderer.
  SDL_Window *window;
  SDL_Renderer *renderer;
  SDL_CreateWindowAndRenderer(300, 300, 0, &window, &renderer);

  // Set a color for drawing matching the earlier `ctx.fillStyle = "green"`.
  SDL_SetRenderDrawColor(renderer, /* RGBA: green */ 0x00, 0x80, 0x00, 0xFF);
  // Create and draw a rectangle like in the earlier `ctx.fillRect()`.
  SDL_Rect rect = {.x = 10, .y = 10, .w = 150, .h = 100};
  SDL_RenderFillRect(renderer, &rect);

  // Render everything from a buffer to the actual screen.
  SDL_RenderPresent(renderer);

  // TODO: cleanup
}

与 Emscripten 建立关联时，您需要使用 -s USE_SDL=2。这将告知 Emscripten 提取已预编译为 WebAssembly 的 SDL2 库，并将其与您的主应用相关联。

emcc example.cpp -o example.html -s USE_SDL=2

在浏览器中加载示例后，您会看到熟悉的绿色矩形：

不过，这段代码存在一些问题。首先，它无法正确清理分配的资源。其次，在 Web 上，应用执行完毕后网页不会自动关闭，因此画布上的图片会保留下来。但是，如果使用以下命令对同一代码进行原生重新编译

clang example.cpp -o example -lSDL2

并执行，创建的窗口只会短暂闪烁，并在退出时立即关闭，因此用户无法看到图片。

集成事件循环

一个更完整且符合惯例的示例需要在事件循环中等待，直到用户选择退出应用：

#include <SDL2/SDL.h>

int main() {
  SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO);

  SDL_Window *window;
  SDL_Renderer *renderer;
  SDL_CreateWindowAndRenderer(300, 300, 0, &window, &renderer);

  SDL_SetRenderDrawColor(renderer, /* RGBA: green */ 0x00, 0x80, 0x00, 0xFF);
  SDL_Rect rect = {.x = 10, .y = 10, .w = 150, .h = 100};
  SDL_RenderFillRect(renderer, &rect);
  SDL_RenderPresent(renderer);

  while (1) {
    SDL_Event event;
    SDL_PollEvent(&event);
    if (event.type == SDL_QUIT) {
      break;
    }
  }

  SDL_DestroyRenderer(renderer);
  SDL_DestroyWindow(window);

  SDL_Quit();
}

将图片绘制到窗口后，应用现在会进入循环等待状态，在该状态下，它可以处理键盘、鼠标和其他用户事件。当用户关闭窗口时，他们会触发 SDL_QUIT 事件，该事件将被拦截以退出循环。退出循环后，应用将执行清理操作，然后自行退出。

现在，在 Linux 上编译此示例会按预期运行，并显示一个大小为 300 x 300 的窗口，其中包含一个绿色矩形：

不过，该示例在 Web 上已不再有效。Emscripten 生成的页面在加载期间会立即冻结，并且永远不会显示渲染的图片：

发生了什么情况？我会引用“使用 WebAssembly 中的异步 Web API”一文中的答案：

简而言之，浏览器会将所有代码段从队列中依次取出，以一种类似于无限循环的方式运行这些代码段。当某个事件触发时，浏览器会将相应的处理脚本加入队列，并在下一次循环迭代时从队列中取出并执行该脚本。这种机制允许仅使用单个线程来模拟并发性并运行大量并行操作。

关于此机制，需要注意的重要一点是，在自定义 JavaScript（或 WebAssembly）代码执行期间，事件循环会被阻塞 […]

上述示例会执行无限事件循环，而代码本身会在浏览器隐式提供的另一个无限事件循环中运行。内部循环绝不会将控制权交给外部循环，因此浏览器无法处理外部事件或在页面上绘制内容。

您可以通过以下两种方式解决此问题。

使用 Asyncify 取消阻塞事件循环

首先，如链接的文章中所述，您可以使用 Asyncify。这是一种 Emscripten 功能，可用于“暂停”C 或 C++ 程序，将控制权交还给事件循环，并在某些异步操作完成时唤醒程序。

此类异步操作甚至可以“尽可能短时间休眠”，通过 emscripten_sleep(0) API 进行表达。通过将其嵌入到循环中间，我可以确保在每次迭代时将控制权返回给浏览器的事件循环，并且页面保持响应能力并能够处理任何事件：

#include <SDL2/SDL.h>
#ifdef __EMSCRIPTEN__
#include <emscripten.h>
#endif

int main() {
  SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO);

  SDL_Window *window;
  SDL_Renderer *renderer;
  SDL_CreateWindowAndRenderer(300, 300, 0, &window, &renderer);

  SDL_SetRenderDrawColor(renderer, /* RGBA: green */ 0x00, 0x80, 0x00, 0xFF);
  SDL_Rect rect = {.x = 10, .y = 10, .w = 150, .h = 100};
  SDL_RenderFillRect(renderer, &rect);
  SDL_RenderPresent(renderer);

  while (1) {
    SDL_Event event;
    SDL_PollEvent(&event);
    if (event.type == SDL_QUIT) {
      break;
    }
#ifdef __EMSCRIPTEN__
    emscripten_sleep(0);
#endif
  }

  SDL_DestroyRenderer(renderer);
  SDL_DestroyWindow(window);

  SDL_Quit();
}

现在，此代码需要在启用 Asyncify 的情况下进行编译：

emcc example.cpp -o example.html -s USE_SDL=2 -s ASYNCIFY

现在，应用在网页上又可以正常运行了：

不过，Asyncify 可能会产生不小的代码大小开销。如果它仅用于应用中的顶级事件循环，则更好的选择是使用 emscripten_set_main_loop 函数。

使用“主循环”API 取消阻塞事件循环

emscripten_set_main_loop 无需任何编译器转换即可展开和回放调用堆栈，这样可以避免代码大小开销。不过，作为回报，您需要对代码进行更多手动修改。

首先，需要将事件循环的正文提取到单独的函数中。然后，需要调用 emscripten_set_main_loop，并在第一个参数中将该函数作为回调，在第二个参数中设置 FPS（对于原生刷新间隔，为 0），并在第三个参数中设置一个布尔值，指示是否要模拟无限循环 (true)：

emscripten_set_main_loop(callback, 0, true);

新创建的回调将无法访问 main 函数中的堆栈变量，因此 window 和 renderer 等变量需要提取到堆分配的结构体中，并通过 API 的 emscripten_set_main_loop_arg 变体传递其指针，或者提取到全局 static 变量中（为简单起见，我选择了后者）。结果稍难理解，但它绘制的是与上一个示例相同的矩形：

#include <SDL2/SDL.h>
#include <stdio.h>
#ifdef __EMSCRIPTEN__
#include <emscripten.h>
#endif

SDL_Window *window;
SDL_Renderer *renderer;

bool handle_events() {
  SDL_Event event;
  SDL_PollEvent(&event);
  if (event.type == SDL_QUIT) {
    return false;
  }
  return true;
}

void run_main_loop() {
#ifdef __EMSCRIPTEN__
  emscripten_set_main_loop([]() { handle_events(); }, 0, true);
#else
  while (handle_events())
    ;
#endif
}

int main() {
  SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO);

  SDL_CreateWindowAndRenderer(300, 300, 0, &window, &renderer);

  SDL_SetRenderDrawColor(renderer, /* RGBA: green */ 0x00, 0x80, 0x00, 0xFF);
  SDL_Rect rect = {.x = 10, .y = 10, .w = 150, .h = 100};
  SDL_RenderFillRect(renderer, &rect);
  SDL_RenderPresent(renderer);

  run_main_loop();

  SDL_DestroyRenderer(renderer);
  SDL_DestroyWindow(window);

  SDL_Quit();
}

由于所有控制流更改都是手动进行的，并且反映在源代码中，因此无需再次使用 Asyncify 功能即可对其进行编译：

emcc example.cpp -o example.html -s USE_SDL=2

此示例可能看起来没什么用，因为它的运作方式与第一个版本没有什么不同，在第一个版本中，尽管代码要简单得多，但也成功在画布上绘制了矩形，而且 SDL_QUIT 事件（handle_events 函数中处理的唯一事件）在 Web 上无论如何都会被忽略。

不过，如果您决定添加任何类型的动画或互动功能，则通过 Asyncify 或 emscripten_set_main_loop 进行适当的事件循环集成会带来显著成效。

处理用户互动

例如，只需对上一个示例进行一些更改，您就可以让矩形在响应键盘事件时移动：

#include <SDL2/SDL.h>
#ifdef __EMSCRIPTEN__
#include <emscripten.h>
#endif

SDL_Window *window;
SDL_Renderer *renderer;

SDL_Rect rect = {.x = 10, .y = 10, .w = 150, .h = 100};

void redraw() {
  SDL_SetRenderDrawColor(renderer, /* RGBA: black */ 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF);
  SDL_RenderClear(renderer);
  SDL_SetRenderDrawColor(renderer, /* RGBA: green */ 0x00, 0x80, 0x00, 0xFF);
  SDL_RenderFillRect(renderer, &rect);
  SDL_RenderPresent(renderer);
}

uint32_t ticksForNextKeyDown = 0;

bool handle_events() {
  SDL_Event event;
  SDL_PollEvent(&event);
  if (event.type == SDL_QUIT) {
    return false;
  }
  if (event.type == SDL_KEYDOWN) {
    uint32_t ticksNow = SDL_GetTicks();
    if (SDL_TICKS_PASSED(ticksNow, ticksForNextKeyDown)) {
      // Throttle keydown events for 10ms.
      ticksForNextKeyDown = ticksNow + 10;
      switch (event.key.keysym.sym) {
        case SDLK_UP:
          rect.y -= 1;
          break;
        case SDLK_DOWN:
          rect.y += 1;
          break;
        case SDLK_RIGHT:
          rect.x += 1;
          break;
        case SDLK_LEFT:
          rect.x -= 1;
          break;
      }
      redraw();
    }
  }
  return true;
}

void run_main_loop() {
#ifdef __EMSCRIPTEN__
  emscripten_set_main_loop([]() { handle_events(); }, 0, true);
#else
  while (handle_events())
    ;
#endif
}

int main() {
  SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO);

  SDL_CreateWindowAndRenderer(300, 300, 0, &window, &renderer);

  redraw();
  run_main_loop();

  SDL_DestroyRenderer(renderer);
  SDL_DestroyWindow(window);

  SDL_Quit();
}

使用 SDL2_gfx 绘制其他形状

SDL2 在单个 API 中提取了跨平台差异和各种类型的媒体设备，但它仍然是一个非常低级的库。特别是对于图形，虽然它提供了用于绘制点、线和矩形的 API，但实现任何更复杂的形状和转换都留给了用户。

SDL2_gfx 是一个单独的库，可填补这一空白。例如，它可用于将上述示例中的矩形替换为圆形：

#include <SDL2/SDL.h>
#include <SDL2/SDL2_gfxPrimitives.h>
#ifdef __EMSCRIPTEN__
#include <emscripten.h>
#endif

SDL_Window *window;
SDL_Renderer *renderer;

SDL_Point center = {.x = 100, .y = 100};
const int radius = 100;

void redraw() {
  SDL_SetRenderDrawColor(renderer, /* RGBA: black */ 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF);
  SDL_RenderClear(renderer);
  filledCircleRGBA(renderer, center.x, center.y, radius,
                   /* RGBA: green */ 0x00, 0x80, 0x00, 0xFF);
  SDL_RenderPresent(renderer);
}

uint32_t ticksForNextKeyDown = 0;

bool handle_events() {
  SDL_Event event;
  SDL_PollEvent(&event);
  if (event.type == SDL_QUIT) {
    return false;
  }
  if (event.type == SDL_KEYDOWN) {
    uint32_t ticksNow = SDL_GetTicks();
    if (SDL_TICKS_PASSED(ticksNow, ticksForNextKeyDown)) {
      // Throttle keydown events for 10ms.
      ticksForNextKeyDown = ticksNow + 10;
      switch (event.key.keysym.sym) {
        case SDLK_UP:
          center.y -= 1;
          break;
        case SDLK_DOWN:
          center.y += 1;
          break;
        case SDLK_RIGHT:
          center.x += 1;
          break;
        case SDLK_LEFT:
          center.x -= 1;
          break;
      }
      redraw();
    }
  }
  return true;
}

void run_main_loop() {
#ifdef __EMSCRIPTEN__
  emscripten_set_main_loop([]() { handle_events(); }, 0, true);
#else
  while (handle_events())
    ;
#endif
}

int main() {
  SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO);

  SDL_CreateWindowAndRenderer(300, 300, 0, &window, &renderer);

  redraw();
  run_main_loop();

  SDL_DestroyRenderer(renderer);
  SDL_DestroyWindow(window);

  SDL_Quit();
}

现在，还需要将 SDL2_gfx 库链接到应用中。其实现方式与 SDL2 类似：

# Native version
$ clang example.cpp -o example -lSDL2 -lSDL2_gfx
# Web version
$ emcc --bind foo.cpp -o foo.html -s USE_SDL=2 -s USE_SDL_GFX=2

下面是运行在 Linux 上的结果：

在网页上：

如需了解更多图形基元，请参阅自动生成的文档。