WebGL 单通道wireframe渲染

Posted 2021-04-25 ITman彪叔

如果要把一个对象的线框绘制出来，一般的方法是先绘制实体对象，然后通过gl.LINES的模式再绘制一遍模型，此时模型的线框就会被绘制出来。

gl.LINES的问题

1. 此方法需要绘制两遍对象，因此会造成性能的损失。

2. 使用此种方式绘制线框的时候，深度值偏移是必要的。那是因为，线条的光栅化过程和多边形的光栅化过程并不是完全一致的。这就导致绘制一个多边形的边和绘制多边形本身，相同位置的片元，其深度值可能并不一样。

线段和多边形的光栅化不完全一致，为了避免z-fighting，也需要一个深度偏移。
但是，添加一个偏移并不能完美的解决问题。 这将会导致一些本该被隐藏的线段，未被遮挡。

3. 使用gl.LINES的另外一个问题是，在WebGL中，存在一个bug，就是线宽只能设置为1。请参考以下文章：
   https://www.jianshu.com/p/cee4ce496e78WebGL 绘制Line的bug（一）

因此本文将会介绍一种方法，可以在一个pass内绘制对象及其线框。

原理

我们知道，一般对象都是由三角形组成的。而要显示的线框，正好是三角形的边，如果在绘制的时候，给三角形的边一个不同的颜色，便可以实现在对象上面绘制线框的效果。
那么现在的问题是，如何确定三角形的边呢？

重心坐标系

要确定三角形的变，可以使用重心坐标系。有关重心坐标的的说明，可以参考：
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8D%E5%BF%83%E5%9D%90%E6%A0%87
对于三角形而言，重心坐标可以这样定义：
三角形所在平面上的任意一点P（笛卡尔坐标），可以通过三角形的三个顶点A、B、C（笛卡尔坐标）来表示：
P = Ax + By + C * Z，其中（x、y、z）便是重心坐标。由此可以看出P点其实是A、B、C点加权之和。
如下图所示，A点的重心坐标是(1,0,0),B点的重心坐标是（0，1，0），C点的重心坐标是（0，0，1）

重心坐标

重心坐标确定三角形的边

由上面的讲解 和图片展示可以得知，重心坐标（x，y，z）中任何一个值为0的点，都在三角形的边上。不过在实际的图形渲染中，边的宽度不可能是0，而应该是一个大于0的值，所以一般可以指定一个要绘制的线宽width，如果任何一个点的重心坐标（x，y，z）中的人一个分量的值小于这个线宽width，可以认为在边上。

代码实现

基于上面说的原理，首先需要定义顶点的重心坐标，对于一个三角形来说，可以把三个顶点的中心坐标分别指定为(1,0,0)、(0,1,0)、(0,1,0)即可。而对于一个四边形，有四个顶点 0，1，2，3，而绘制的时候使用索引 0,1,2, 2,1,3来绘制，此时可以把重心坐标定义如下：

  var barycentric = [        1,0,0,  0,1,0, 0,0, 1,  1,0,0,
   ];

然后，在着顶点色器中定义对应的attribute变量，由于重心坐标最终需要传递到片元着色器中，所以还需要对应的varying变量：

      attribute vec3 aBarycentric;
    ...
    varying vec3 vBarycentric;    void main(){
        ...
        vBarycentric = aBarycentric;
    }

然后，在片元着色器中判断，如果vBarycentric的任意一个分量的值小于指定的宽度值,则颜色为指定的线框颜色：

if(any(lessThan(vBarycentric, vec3(0.02)))){
          gl_FragColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
        }        else{
            gl_FragColor = color;
        }

通过上面代码，最终绘制的立方体效果如下：

立方体的线框

去掉锯齿

从上面的立方体绘制的效果图可以看出，线框的锯齿很严重，而且线的宽度不是一致的。这是因为，之前的判断是基于三角形表面的，通过光栅化之后，由于线条的角度等原因，最终在屏幕上面的宽度就变得不一致了。

使用fwidth方法

要线宽的判断基于屏幕，需要使用到一个方法fwidth。该方法需要WebGL 引入一个扩展之后才能使用。该扩展是：OES_standard_derivatives。
首先使用WebGL的getExtension方法获取该扩展，代码如下：

gl.getExtension("OES_standard_derivatives");

然后在shader中启用这个扩展，代码如下：

#extension GL_OES_standard_derivatives : enable

然后通过fwidth函数，把vBarycentric的值缩放到 vBarycentric在屏幕变化的范围之内，代码如下：

 vec3 d = fwidth(vBarycentric);
 vec3 a3 = smoothstep(vec3(0.0), d*2.0, vBarycentric);

fwidth表示一个变量在屏幕空间的x轴变化dFdx + y轴变化dFdx之和。 其中涉及到dFdx、dFdy和fwidth的相关介绍，笔者将会在后续的文章中介绍。
在获取了基于屏幕像素空间的的重心坐标a3之后，变可以通过通过该变量来进行判断，并绘制出指定宽度的线框：

gl_FragColor.rgb = mix(vec3(0.0,0.0,0.0), vec3(1.0), min(min(a3.x, a3.y), a3.z));

通过改良之后的绘制效果如下，可以看出明细效果改进了很多：

改进的立方体线框

四边形线框

前面我们看到的都是三角形的线框，有的时候，我们希望获取四边形的线框，应该怎么处理呢？ 其实此时，只需要调整下顶点的重心坐标即可，在前文中，一个四边形的四个顶点的重心坐标如下：

  var barycentric = [        1,0,0,  0,1,0, 0,0, 1,  1,0,0,
   ];

如果把四边形的四个顶点的重心坐标调整如下：

  var barycentric = [       1,0,0,  1,1,0, 0,0, 1,  0,0,0,  //前
    ];

便可以达到效果，最终绘制的效果如下图所示：

立方体线框（四边形线框）

后记

英伟达也提出过绘制线框的解决方案，参考下面链接：
https://developer.download.nvidia.com/SDK/10/direct3d/Source/SolidWireframe/Doc/SolidWireframe.pdf
不过该方案是基于Geometry Shader技术来实现的，而该技术在WebGL并未实现，所以该方案不能很好的移植到到WebGL。

完整源代码  https://github.com/netcy/solidwireframe