在 Emscripten 中在畫布上繪圖

瞭解如何使用 Emscripten 從 WebAssembly 算繪網路上的 2D 圖形。

Ingvar Stepanyan

不同的作業系統有不同的繪圖 API。編寫跨平台程式碼或將圖像從某個系統移植到另一個系統時 (包括將原生程式碼移植到 WebAssembly)，這項差異會更造成混淆。

在這篇文章中，您將瞭解幾種透過 C 或 Emscripten 編譯而成的 C++ 程式碼，為網路上的畫布元素繪製 2D 圖像的方法。

透過 Embind 繪製畫布

如果您要建立新專案，而非嘗試轉移現有專案，最簡單的方式就是透過 Emscripten 的繫結系統 Embind 使用 HTML Canvas API。Embind 可讓您直接操作任意 JavaScript 值。

如要瞭解如何使用 Embind，請先參閱以下範例中，找到 <canvas> 的 MDN 範例並在其上繪製一些形狀

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

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

以下說明如何使用 Embind 將音譯為 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);
}

連結這組程式碼時，請務必傳遞 --bind，以便啟用 Embind：

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

接著，您就能透過靜態伺服器提供已編譯的資產，並在瀏覽器中載入範例：

選擇畫布元素

搭配上述 shell 指令使用 Emscripten 產生的 HTML 殼層時，系統會自動設定畫布。它可讓您輕鬆建立簡單的示範和範例，但如果是大型應用程式，還可以在設計的 HTML 網頁中，加入 Emscripten 產生的 JavaScript 和 WebAssembly。

產生的 JavaScript 程式碼預期會找到儲存在 Module.canvas 屬性中的畫布元素。如同其他模組屬性，可在初始化期間設定。

如果使用 ES6 模式 (將輸出內容設為副檔名為 .mjs 的路徑，或使用 -s EXPORT_ES6 設定)，就可以傳遞以下畫布：

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

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

如果您使用一般的指令碼輸出，必須先宣告 Module 物件，才能載入 Emscripten 產生的 JavaScript 檔案：

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

OpenGL 和 SDL2

OpenGL 是用於處理電腦圖像的熱門跨平台 API。在 Emscripten 中使用時，系統會負責將支援的 OpenGL 作業子集轉換成 WebGL。如果您的應用程式仰賴 OpenGL ES 2.0 或 3.0 支援的功能，但 WebGL 不支援這項功能，Emscripten 仍可模擬這些功能，但您必須透過對應的設定選擇啟用。

您可以直接使用 OpenGL，也可以使用較高等級的 2D 和 3D 繪圖程式庫。其中一些已經透過 Emscripten 移往網路。在這篇文章中，我將著重介紹 2D 圖形。由於 SDL2 經過充分測試，並支援 Emscripten 後端，因此目前建議使用這個程式庫。

繪製矩形

「關於 SDL」官方網站部分表示：

Simple DirectMedia Layer 是一種跨平台開發程式庫，旨在透過 OpenGL 和 Direct3D 提供低階存取音訊、鍵盤、滑鼠、搖桿和圖形硬體的功能。

這些功能 (控制音訊、鍵盤、滑鼠和圖形) 都都已轉移，並與 Emscripten 在網路上共同合作，讓你輕輕鬆鬆就能導入使用 SDL2 建構的整款遊戲。如果您要移植現有專案，請參閱 Emscripten 文件的「Integrating with a build system」(與建構系統整合) 一節。

為簡單起見，在此文章中，我會聚焦於單一檔案的個案，並將先前的矩形範例翻譯成 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
}

連結 Emscripten 時，你必須使用 -s USE_SDL=2。這麼做會指示 Emscripten 擷取 SDL2 程式庫、已預先編譯至 WebAssembly，並連結至主要應用程式。

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

瀏覽器載入範例後，您會看到熟悉的綠色矩形：

不過，這個程式碼有幾個問題。首先，它缺少適當清理分配的資源。其次，在網頁上，系統不會在應用程式執行完畢後自動關閉網頁，因此可保留畫布上的圖片。不過，如果使用

clang example.cpp -o example -lSDL2

並執行了，建立的視窗只會在結束時快速閃爍，因此使用者無法看見圖片。

整合事件迴圈

更完整且慣用的範例需要在事件迴圈中等待，直到使用者選擇退出應用程式：

#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();
}

將圖片繪製到視窗後，應用程式現在會在迴圈中等待，以便處理鍵盤、滑鼠和其他使用者事件。使用者關閉視窗時，會觸發 SDL_QUIT 事件，系統將攔截並退出迴圈。結束迴圈後，應用程式會執行清理作業，然後自行結束。

現在在 Linux 上編譯這個範例可正常運作，並顯示 300 x 300 和綠色矩形的視窗：

不過，此範例已無法在網頁上發布。Emscripten 產生的網頁在載入期間會立即凍結，從不顯示轉譯的圖片：

發生什麼事？我將引述「透過 WebAssembly 使用非同步網頁 API」一文的回答：

簡單來說，瀏覽器會逐一從佇列中取出所有程式碼，形成無限迴圈的程式碼。當觸發某些事件時，瀏覽器會將對應的處理常式排入佇列，在下一個迴圈疊代時，它會從佇列中移除並執行。此機制可讓您模擬並行，以及執行大量平行作業，同時只使用一個執行緒。

請特別注意，雖然您的自訂 JavaScript (或 WebAssembly) 程式碼執行時，事件迴圈會遭到封鎖 [...]

上述範例會執行無限的事件迴圈，而程式碼本身會在另一個由瀏覽器隱含的無限事件迴圈中執行。內部迴圈絕不會放棄對外部事件的控制權，因此瀏覽器不會有機會處理外部事件，或是在網頁中繪製內容。

解決問題的方法有兩種。

使用 Asyncify 解除封鎖事件迴圈

首先，如同連結文章中所述，您可以使用 Asyncify。「暫停」這個 Emscripten 功能在 C 或 C++ 程式中，讓控制權回到事件迴圈，並在完成某些非同步作業時喚醒程式。

這類非同步作業甚至可能「在最短可能時間內休眠」，透過 emscripten_sleep(0) API 表示。透過將程式碼嵌入迴圈中間的方式，就能確保控制項在每次疊代時都會傳回瀏覽器的事件迴圈，網頁也會保持回應，能處理所有事件：

#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();
}

現在程式碼需要在啟用 Asyncify 的情況下進行編譯：

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

應用程式在網路上也能照常運作：

不過，Asyncify 可能會產生較複雜的程式碼大小負擔。如果僅用於應用程式中的頂層事件迴圈，較適合使用 emscripten_set_main_loop 函式。

以「主迴圈」解除封鎖事件迴圈API

emscripten_set_main_loop 不需要在展開及倒轉呼叫堆疊時執行任何編譯器轉換，就能避免程式碼大小負擔。不過，有時這樣的話，就必須進行更多的手動修改。

首先，事件迴圈的主體必須擷取至個別函式中。接著，必須在第一個引數中使用該函式做為回呼，呼叫 emscripten_set_main_loop，第二個引數中的 FPS (原生重新整理間隔的 0)，以及一個布林值表示是否要在第三個引數中模擬無限迴圈 (true)：

emscripten_set_main_loop(callback, 0, true);

新建立的回呼不會有任何存取 main 函式中的堆疊變數，因此必須將 window 和 renderer 等變數擷取至堆積分配的結構體，並透過 API 的 emscripten_set_main_loop_arg 變化版本傳遞其指標，或是擷取到全域 static 變數中 (為了方便起見)。結果稍微不容易遵循，但可繪製與上一個範例相同的矩形：

#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();
}

由於所有控制流程變更都是手動變更並反映在原始碼中，因此可以在沒有 Asyncify 功能的情況下再次進行編譯：

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

這個例子看起來很用處，因為在程式碼更簡單的情況下，矩形繪製在畫布上就沒有太大差異，而且系統還是會在網頁上忽略 SDL_QUIT 事件 (handle_events 函式中只處理的一個事件)。

不過，如要妥善整合事件迴圈，無論是透過 Asyncify 或 emscripten_set_main_loop 來加入，如果您決定加入任何類型的動畫或互動元素，都需要付費。

處理使用者互動

舉例來說，只要在最後一個範例中做出幾項變更，即可讓矩形配合鍵盤事件移動：

#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 繪製其他形狀

SDL2 可在單一 API 中去除跨平台差異和不同類型的媒體裝置，但仍然是一個相當低階的程式庫。尤其是在圖像方面，雖然提供用於繪製點、線和矩形的 API，但是使用者仍可實作任何較複雜的形狀和轉換。

SDL2_gfx 是會填補該缺口的獨立程式庫。例如，可用來將上述範例中的矩形替換成圓形：

#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();
}

現在，您必須將 SDL2_gfx 程式庫連結至應用程式。原理與 SDL2 類似：

# 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

以下是在 Linux 上執行的結果：

使用網路：

如需更多圖形基本功能，請參閱自動產生的文件。